如果您对出色的游戏或图形体验的技术方面感兴趣，或者正在寻找能够处理最先进图形技术的 GPU，则需要了解路径跟踪。
随着计算机图形学变得越来越复杂，路径追踪已经改变了计算机生成图像的质量和真实感。但是，您需要合适的硬件才能充分利用这种图形技术。
了解什么是路径追踪可以帮助您评估它如何在不影响 GPU 的速度和性能的情况下增强您的图形体验。
在本文中，我们将解释路径追踪是什么、它是如何工作的，以及路径追踪如何影响 GPU 处理。
让我们跳进去吧！
- 路径追踪是一种基于计算机的方法，可以为三维数字图像添加逼真的照明。
- 计算机生成的图像或渲染被处理为场景文件。
- 路径追踪是将计算机图形转换为逼真的照片质量图像的关键。
什么是路径追踪？
路径追踪是一种基于计算机的方法，可以为三维数字图像添加逼真的照明。它使用一组统称为蒙特卡罗方法的计算机算法来确定图像上的发光位置。
这种数学计算确定了整个图像的发光水平，以到达物体表面的单个原点。路径追踪功能然后将发光级别归因于已处理图像的每个像素。
路径追踪是一种渲染
渲染是图像合成，使用软件创建逼真的二维或三维计算机图像。
渲染构成了三维图形制作的主要部分，其中路径追踪和其他效果应用于图像以赋予它们最终外观。计算机生成的图像或渲染被处理为场景文件，其中包含定义输出数字图像的几何形状、纹理、照明和阴影的数据。
路径追踪模拟自然光
路径追踪是将计算机图形转换为逼真的照片质量图像的关键。该技术可用于任何需要复杂数字成像的媒体，如游戏、建筑、数字艺术、电影和电视效果以及图像模拟。
它可以有效渲染必须单独添加到计算机图形中的多种照明效果，包括：
- 光线追踪
- 景深
- 间接照明
- 环境光遮蔽
建模是路径追踪的关键，使用来自各种真实表面、光源和相机的准确建模数据来确定合适的照明。路径追踪详细且无偏差且准确度高，使其适用于生成参考图像以测试其他渲染算法。
路径追踪与光线追踪
路径追踪是光线追踪的一种。
光线追踪包含广泛的技术和渲染，用于对数字图像中的光传输进行建模。除了路径追踪，光线追踪还包括渲染技术，如光线投射、光子映射和递归光线追踪。
与路径追踪不同，光线追踪可以渲染范围更广的视觉效果；它甚至可以对声波和光线进行建模，以获得身临其境的视听体验。
光线追踪技术细致且保真度高。直到最近，这让它们变慢了，因为它们对 GPU 提出了很高的要求。光线追踪和路径追踪通常用于静止图像而不是电影、动画或游戏，这需要大量的实时计算来渲染每个显示的帧。
路径追踪的历史
如何在 2D 表面上真实地渲染 3D 图像的问题是几个世纪以来连接艺术和数学世界的问题。许多杰出的美术家开发了复制 3D 对象的技术，例如 16 世纪的画家和版画家阿尔布雷希特·丢勒 (Albrecht Dürer)，他使用绳子和重物将对象准确地映射到画布上。
丢勒的弦和权重技术是与路径追踪相关的光线追踪技术的早期版本。丢勒的弦与在物体和观察者眼睛之间传播的光路相同。
从光线追踪到路径追踪
博士后计算机工程师James Kajiya设计了导致路径追踪在 80 年代发展的数学方程式。他的研究重点是使用蒙特卡洛实验，这是一类使用随机性来解决确定性问题的计算算法。
他在 1986 年的论文中提出了构成路径追踪基础的光传输方程。这涉及生成大量散射事件，创建从相机开始到计算机生成场景中的各个光源结束的路径。
Kajiya 提出的基本光传输方程已经发展成为用于当代图形的路径追踪算法。
路径追踪如何工作？
路径追踪的工作原理是使用其底层算法从数字图像中的相机视图发送光线。
当光线到达图像中的反射或折射表面时，它会继续路径直到它碰到光源并重复该过程直到它到达光源。这将创建一条“路径”，该路径从相机开始并以光线结束。
由于所涉及算法计算的随机性，输出图像可能会变得嘈杂，但许多单独路径的累积会消除这种噪声。然后，生成路径的密度可以计算出以下效果：
- 间接照明
- 硬阴影和软阴影
- 光面
- 反射和折射
- 镜像
- 区域点和定向照明
在称为高清渲染管线 (HDRP) 的单个统一渲染过程中，最先进的路径追踪实现可为成像中的每个像素累积多达 4 条路径。
设计师和程序员可以为视频游戏和动画等应用程序设置路径追踪和其他效果。
他们可以使用各种技术将可编程照明技术应用于达到高图形标准的场景。
他们可以使用的参数包括：
- 最终图像中累积的帧数
- 每条路径中的最小和最大光反射次数（决定深度）
- 每个光值的强度——封顶强度防止超亮像素的出现，但可以使整体图像变暗
图形管道用于向场景添加路径跟踪
设计师和程序员使用各种渲染管线将路径追踪添加到他们的场景中。计算机图形管道对图形处理单元 (GPU) 在 2D 屏幕上渲染 3D 计算机生成图像所采取的步骤进行编程。
图形管道取决于用于处理和显示图像的软件和硬件。图形管道没有通用标准，但开发人员创建了多个图形应用程序编程接口来统一和标准化 GPU 的图形处理。
路径追踪和其他渲染效果需要强大的图形处理能力
在 2D 屏幕上渲染 3D 数字图像需要复杂的图形处理。在现代计算中，GPU 处理此过程，该过程专门用于执行复杂的渲染计算，包括路径跟踪。
具有专用内存和图形管道的独立 GPU 可以减轻 CPU 的压力，以完成创建逼真的图像和场景所需的渲染计算。路径追踪功能随后成为 GPU 生成的所有图像的通用光照模型。
GPU 可以处理预渲染的 3D 图形，或者可能足够强大以实时生成路径跟踪和其他效果。对于处理器来说，路径追踪是一个资源密集型过程，尤其是在游戏中，因为它具有动态和随机变化的场景。
图形加速器可以提高实时渲染性能
路径追踪和光线追踪通常是缓慢且计算密集的过程，但自 2018 年以来，GPU 包含了可以支持实时光线和路径追踪的硬件加速。
图形 API 的升级与处理速度的提升相匹配，允许开发人员在视频游戏等动态项目中加入实时路径跟踪，而不会降低它们的速度。
GPU 和图形加速器是相同的硬件组件。这个功能强大的计算单元具有专用处理器、VRAM、I/O 和高速图形处理总线，可以跟上最先进的图形应用程序。
来自NVIDIA等领先制造商的现代和高级图形处理器现在对于任何图形密集型应用程序都是必不可少的。
总结
路径追踪是将计算机生成的 3D 图像呈现在 2D 屏幕上的最后步骤之一。
光的模拟使数字图像更加真实。增强的算法和加速的图形处理硬件支持路径追踪在高速动画和超响应游戏中的一致应用。
最新一代的 GPU，现在称为图形加速器，可以很好地进一步将路径跟踪与快速移动的图像集成在一起。
路径追踪：它是什么以及它是如何工作的？
什么是 GPU？
图形处理单元 (GPU) 是专用于图形处理的处理器。GPU 有自己的 RAM (VRAM)，可以加速 3D 图形的渲染。
GPU 或图形加速器是功能强大且高度可编程的微型计算机。GPU 技术通过高速渲染动画、演示、电影和游戏中的各种视觉效果和逼真场景，提升了计算机生成图像所能达到的效果。
什么是光栅化？
光栅化是将 3D 计算机模型渲染为 2D 图像。构成计算机化 3D 模型的三角形在屏幕上呈现为单个像素，并经过进一步处理以创建逼真的表示。
什么是图形应用程序编程接口 (API)？
图形 API 提供了一个命令库，图形应用程序可以使用这些命令库与特定的硬件驱动程序进行通信，以适当地渲染 2D 和 3D 图像。
什么是通用渲染管线 (URP)？
Unity 的通用渲染管线 (URP) 是另一种可扩展且可编写脚本的渲染管线，开发人员可以使用它来优化项目中的路径跟踪和其他图形效果。URP 与从智能手机到 PC 的各种硬件兼容。
什么是高清渲染管线 (HDRP)？
HDRP 是一种渲染管线，可将路径追踪等图像效果添加到数字图像中。
HDRP 是高保真和可脚本化的，这意味着开发人员可以定义和编程路径跟踪的特定参数，以及在 GPU 处理 3D 图像时执行的其他渲染过程。