光线追踪
在二维屏幕上呈现三维图像的方法
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光线追踪（Ray tracing），[1]是在二维屏幕上呈现三维图像的方法。作为一种图像合成技术，它通过模拟光线与物体表面的交点来实现图像的绘制，[5]具有高效率渲染、[6]精确的阴影和光照效果、[7]适用于复杂场景、[8]真实性好等优点。[9][10]
光线追踪的发展始于1968年阿瑟·阿彭海姆（Arthur Appel）提出的光线投射理念。1979年，透纳·惠特德（Turner Whitted）在光线投射的基础上，加入光与物体表面的交互，让光线在物体表面沿着反射、折射以及散射方式继续传播，直到与光源相交。1984年，库克（Cook）引入蒙特卡洛方法，将经典的光线跟踪方法扩展为分布式光线跟踪算法，又称随机光线追踪。在前人的研究基础上，卡吉雅（Kajiya）于1986年进一步建立渲染方程的理论，第一次将渲染方程引入计算机图形学，并使用它来解释光能传输产生的各种现象。[11]此后，技术在硬件和算法上不断优化，如使用kd树加速结构，[12]2003年，德国萨尔兰（SaarLand）大学提出了业界首个硬件加速光线追踪算法方案。[13]2016年，Imagination公司推出了世界上首个满足实时光线追踪的加速器专用芯片。[14]2018年8月14日，英伟达发布了基于图灵架构的Quadro系列图形卡，并将该系列命名为Quadro RTX[a]家族，这是全球首款支持实时光线追踪技术的显卡。[15]2023年12月，英伟达推出了实时3D创作软件D5渲染器，增强了光线追踪性能并提高了实时视窗帧速率。[16]
光线追踪算法通过包围体方法、空间分剖法、预处理法等关键方法，[17]光线束遍历、无栈遍历、光线重排序等相关算法提高效率，[14]涉及像素的区域采样技术、像素细分技术等关键技术。[17]光线追踪广泛应用在影视、游戏、建筑、工程和施工产业（AEC）等领域，[2][3][4]但同时存在着效率较低、阴影尖锐、产生噪点等局限。[17][18][5]在图像真实感的提升上，纹理空间技术和可变速率光线追踪的结合是未来的研究方向。同时，神经网络技术的融入为实时光线追踪的硬件优化和图像处理提供了新的可能性，预示着进入神经网络渲染新时代的潜在发展。[14]