光线追踪是如何让电影或者游戏的3D场景变得非常逼真的

电影中的场景或者特效为什么会如此逼真？这就要用到光线追踪。比如，为了构建一场星际战斗的场景，设计师会对宇宙、飞船和星球进行建模和纹理化，然后将灯光以及相机放置在场景周围，并进行场景渲染。渲染是一个计算过程，它模拟光线如何从模型反射并照亮每个模型，从而将简单的3D模型转化为逼真的电影场景。能进行光线追踪的方式有很多，但是电影中最常用的是路径追踪。路径追踪的计算非常巨大，这么简单的一个星际战斗的场景，如果让地球上所有的人口一起工作，并每秒执行一次计算，需要连续12天不间断才能完成整个计算量，以至于在过去的几十年时间内，除了超级计算机，外径追踪都被认为是不可能实现的，其实早在1986年，路径追踪就已经被提了出来，随后科学家花了30多年的时间，路径追踪最终才在疯狂动物城。海底总动员等电影上进行了使用。即便如此，渲染这些大型3D电影仍然需要1000个服务器群，花费数个月进行千万亿次计算后才能完成。那路径追踪为什么会如此复杂呢？这是电影中的一个3D场景，为了制造这个场景，设计师需要花费几个月的时间对所有的岛屿、城堡、房屋、树木进行建模。单独看其中的一个模型，其实它都是由无数个小三角形组成的，而GPU就是专门处理这种由三角形组成的3D场景，整个城堡的三角形达到320万个。模型构建完成后，3D美术师会为场景的物体分配纹理，纹理会定义物体的颜色以及物体的材质属性，比如定义物体的表面是粗糙还是光滑，是金属玻璃还是水状。完成纹理贴图后，设计师会向场景添加太阳光线，并调整光线强度和方向，以便模拟一天中的所有时间。最后添加虚拟。相机，从而将整个场景渲染到视图屏幕，可以看到添加光线后，整个场景立即变得非常逼真，这就是光线追踪起到的效果。当太阳光线照射到红色屋顶表面时，一些光会被吸收，但是红光会被反射到摄像机，根据反射的红光就能为物体进行着色，然后其他的物体也一样，从而为整个场景进行着色。但是有个很大的问题，在这个场景中，太阳会产生无数条的光线，但是只有一小部分进入了摄像机，对于我们来说，只有进入摄像机的这一部分光线才有用。那如何解决摄像机的光线问题呢？通过查询精选，我发现解决方式就是让摄像机主动发射光线，而不在被动接收太阳的光线。另外精选上还有很多图形渲染，制作3D动画的优质视频，如果你也想制作我这种知识动画，左下角抢先体验吧。摄像机发射光线后，然后我们确定光线照射到了哪些物体上，最后在计算太阳光是如何照亮这些物体的。我们看一下整个计算过程。这是一家理发店的场景，它包含了800多万个三角形。为了在视图平面创建图像，总共有83亿条光线从虚拟摄像机的视图平面出发进入场景。由于路径追踪是一种大规模的并行操作，所以每个像素都是相互独立的，也就是说，一个像素上的上千条光线与其他像素上的光线可以同时计算，一旦单个像素的光线计算完成，就会与其他的像素相结合，共同完成整个场景画面。但是整个场景光线太多了，为了更容易理解，我们取其中的一条光线来进行讲解。首先，光线会从摄像机开始穿过像素点进入场景中，光线最终会来到场景中的一个物体，并击中物体中的一个三角形，一旦击中，该物体的颜色就会与光线对应的像素相关联。比如，当光线击中这把椅子的把手，像素就会变成把手的颜色，穿过该像素的其他光线也会非常接近该光。光线的颜色，这些颜色平均在一起被称为主光线。但是这种方式显示的像素颜色有个问题，那就是生成的3D图像并不逼真，每个像素上只是一些简单的颜色，因此场景看起来非常假。所以接下来我们就需要计算摄像机照射的位置在太阳光或者电灯等光源的射下是什么样的。比如现在摄像机的光线照射到了这个蓝色的条纹上，在摄像机看来它就是完全蓝色的。但是在实际生活中，在太阳光线或者灯光下，蓝色其实是有一个从明到暗的渐变过程。这是因为背向光源的部分是通过光源照射到墙壁，然后反射到蓝色部分上的，因此光线会变弱。所以想要还原物体的真实样貌，光线追踪需要确定物体表面是如何被直接照亮的，这被称为直接照明，其次还要确定物体如何被其他物体反射的光照亮，这被称为间接照明。为了计算直接照明，摄像机发出的光线会打到杆子上3。小形的交叉点上，然后会生成阴影光线，接着阴影光线被发射到每个光源的方向，比如室内的灯泡以及房间的窗户。如果相交点与这些光源之间没有任何物体遮挡，那么就说明这个点是直接照明。另外，照亮该点的光源都会有一个亮度、大小、颜色、距离等信息，所有这些因素与该点的RGB值进行关联计算，就能得到该点所在像素的亮度和颜色。如果我们现在将门打开，这时会有更多的光线进入，如果再计算RGB值，就会发现RGB值增加了。现在我们再从摄像机发射一条光线，这次光线落在了背光的蓝色区域，还是一样，光线会从该点向外发射阴影光线，但是阴影光线会被杆子完全阻挡住，所以该点是无法被直接照亮的。因此像素非常暗淡，所以为了计算间接照明，我们需要从摄像机的主光线中取出焦点，并生成其反射后的辅助光线。辅助光线照。到墙壁后，会从这个点出发，向每个光源发射一组新的阴影光线，这些阴影光线会与光源的属性继续进行计算，从而得到这个点的颜色值。本质上，墙上的这一点就相当于一盏灯，它会照亮杆子背面，但是有些阴影光线通过反射可能会继续处于阴影中。如果这个点发射新的阴影光线，光线可能会改变方向。打到天花板上之后，该点会继续向外发射阴影光线，从而连接到电灯或者太阳等光源。其实天花板上的这个点也可以看作一个光源，墙壁上的这个光源就是被天花板上这个光源照亮的一个点，发射的阴影光线会非常多，并且会经过多个点发射多次阴影光线，最终就会得到光源间接照亮阴影点的光线路径。然后根据光源的相关属性，从而就能计算出像素的精确值，其他的像素点也一样，最终计算出整个场景的像素值，从而还原出真实逼真的3D场景。通常一个动画。它每秒为24帧，一个20分钟的动画会超过上千一条的光线，每条光线都需要进行计算，可想而知计算量有多庞大。但是这些问题显卡却能轻松处理，它专门为图形处理而生。打开显卡，你会发现一个GPU芯片，它拥有10496个枯大核心，82个光线追踪核心。Q的核心用于计算基本的算术运算，而光线追踪的核心则经过专门的设计和优化，然后通过GPU的管道进行操作，每秒可以处理几十亿条的光线计算，并且可以在4分钟内就能渲染出一个这样逼真的复杂场景。另外，光线追踪在大型3D游戏中也是必不可少的，它让3D游戏无限接近现实，这在之前是根本不可能做到的。然而在GPU的加持下，现在却变得异常的简单。

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