ra什么是光栅化及其与射线追踪的区别

新的Nvidia RTX显卡即将发布之后。 我们想写一篇关于什么是光栅化 及其与Ray Tracing的区别的文章。 准备知道您需要了解的有关该技术的所有信息吗？ 让我们开始吧！

什么是栅格化和射线追踪差异

实时PC图形长期以来一直使用一种称为“栅格化”的技术在二维屏幕上显示三维对象 。 这是一种快速的技术，尽管它不如光线跟踪所能做到的那样，但在过去的几年中，结果已变得非常好。

使用栅格技术，您在屏幕上看到的对象是由虚拟三角形或多边形的网格创建的，这些网格创建了对象的三维模型 。 在此虚拟网格中，每个三角形的角（称为顶点）与其他大小和形状不同的三角形的顶点相交。 因此，与每个顶点相关的信息很多，包括其在空间中的位置以及有关颜色，纹理及其“法线”的信息，这些信息用于确定对象表面的朝向。 。

然后，计算机将3D模型的三角形转换为像素或2D屏幕上的点 。 可以从三角形顶点存储的数据为每个像素分配初始颜色值。 附加的像素处理或“阴影”处理（包括根据场景中的光线照射像素的方式来更改像素颜色，并将一种或多种纹理应用于像素）组合以生成应用于一个像素

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这是计算密集型的 ，因为场景中可能有数百万个多边形用于所有对象模型，而在4K屏幕上大约有800万个像素。 为此，我们必须补充一点，屏幕上显示的每个图像通常每秒更新30到90次 。 同样，内存缓冲区是为加快处理速度而预留的临时空间，用于在帧显示在屏幕上之前预先渲染帧。

深度或“ z缓冲区”也用于存储像素深度信息，以确保显示像素屏幕xy位置的前面的对象，而最前面的对象后面的对象保持隐藏状态。 这就是为什么现代且图形丰富的计算机游戏依赖功能强大的GPU的原因 ，该GPU每秒可以进行数百万次计算。

光线追踪的工作方式完全不同。 在现实世界中，我们看到的3D对象被光源照亮，组成光的光子可以在到达观看者的眼睛之前从一个对象反弹到另一个对象。 同样，光可能会被某些物体阻挡，产生阴影，或者光会从一个物体反射到另一个物体，就像当我们看到一个物体的图像反射到另一个物体的表面时一样。 我们还有折射 ，当折射光穿过透明或半透明的物体（例如玻璃或水）时， 折射会导致光的速度和方向发生变化。

Ray Tracing再现了这些效果，这是IBM的Arthur Appel于1969年首次描述的一种技术 。 该技术可跟踪通过2D观察表面上每个像素的光的路径，并将其转换为场景的3D模型。 十年后的下一个重大突破是在1979年的一篇题为“用于遮光屏幕的改进的照明模型”的论文中。现为Nvidia Research成员的特纳·惠特（Turner Whitted） 展示了如何利用反射镜捕获反射，阴影和折射。射线追踪。

使用Whitted技术，当闪电击中场景中的对象时，在撞击对象表面时的颜色和照明信息会影响像素的颜色和照明级别。 如果光束在到达光源之前反弹或穿过不同对象的表面，则来自所有这些对象的颜色和照明信息可能会影响像素的最终颜色。

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1980年代的另一对文档奠定了计算机图形学革命的其余知识基础，而计算机图形学革命颠覆了电影的制作方式。 1984年，Lucasfilm的Robert Cook，Thomas Porter和Loren Carpenter详细介绍了Ray Tracing如何结合各种常见的摄影技术，例如运动模糊，景深，半光线，半透明和模糊的反射 ，直到那时，它们可以用相机创建。 两年后，加州理工学院教授吉姆·卡吉亚（Jim Kajiya）的著作“渲染方程”完成了将计算机图形生成方式映射到物理学的工作，以更好地表示光散射的方式。在一个场景中。

将所有这些研究与现代GPU结合在一起，得到的结果是计算机生成的图像，这些图像以与真实照片或视频无法区分的方式捕获阴影，反射和折射。 正是这种现实，才使Ray Tracing征服了现代电影。 下图由Enrico Cerica使用OctaneRender生成，显示了帧图像中反射的灯的玻璃笔画变形，窗口中的散射光以及地板上灯笼中的磨砂玻璃的变形。

光线追踪是一项非常耗电的技术，这就是电影制片人为什么要依靠大量服务器或农场来创建场景的过程，而这一过程可能需要几天甚至几周的时间才能生成复杂的特殊效果。 毫无疑问，许多因素会影响图形的整体质量和光线跟踪性能。 实际上，由于光线跟踪的计算强度很高，因此通常用于表示场景中从该技术的视觉质量和逼真度中受益最大的那些区域或对象，而其余场景使用栅格化处理。

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