一条光线的旅程：光线追踪凭什么让画面"突然变真"

上一篇我们聊了光栅化——它快，是因为"每个三角形各画各的"。但阴影、反射、折射这些跨物体的光学效果，它天生做不好，只能靠各种 hack 勉强糊弄。

那光线追踪是怎么解决这个问题的？答案很简单：把整个流程翻过来。

光栅化是从物体出发，问"这个三角形覆盖了哪些像素"；光线追踪是从像素出发，问"这个像素看到了什么"。

这一篇，我们就跟着一条光线，走完它从相机到场景的完整旅程。

从像素出发：发射一条"视线"

想象你站在一个房间的窗前，透过窗户看外面的世界。你看到某个点上的颜色，是因为从那个点出发的光线穿过了窗户、进入了你的眼睛。

光线追踪"作弊"了——它反着走：从你的眼睛出发，穿过窗户上每一个小格子（像素），射向场景，看它撞到什么东西。

具体来说，对于屏幕上 1920×1080 个像素中的每一个，光线追踪做三件事（1 2）：

这条从相机出发的射线叫 主光线（primary ray）。它的方向很好算：从相机位置到像素中心连一条线，延伸出去就是。

用伪代码表示就是：

1for (每个像素 in 屏幕) {
2    发射一条主光线穿过这个像素的中心
3    for (每个物体 in 场景) {
4        检测光线是否与这个物体相交
5    }
6    取最近的交点，计算颜色，写入像素
7}

两层循环——外层是像素，内层是场景中所有物体——正好和光栅化反过来。1

一条光线射出去，可能穿过好几个物体——比如先穿过一个玻璃杯，再撞到后面的墙。但每个像素只能显示离相机最近的那个物体的颜色。

所以光线追踪在做相交测试时，不是"碰到第一个就算"，而是 遍历场景中所有物体，记录下最近的交点。这个"最近"的判定，靠的是光线参数方程里的参数 $t$ ：

$P(t) = O + t \cdot D$

其中 $O$ 是光线起点， $D$ 是方向， $t$ 是沿着光线走的距离。 $t$ 越小，交点越近。遍历所有物体后，取 $t$ 最小的那个交点，就是像素真正应该显示的东西。3

这个机制和光栅化里的深度缓冲（z-buffer）做的事一样——解决"谁在前面"的问题。但光线追踪用一个统一的框架就能搞定，不需要额外的深度缓冲。

找到交点之后，要算出这个点应该是什么颜色。这涉及三个因素（2 4）：

最简单的着色模型是 Phong 模型，它把光照分成三部分：环境光（ambient，一个常数，让暗部不至于全黑）、漫反射（diffuse，粗糙表面的散射）、镜面高光（specular，光滑表面的亮斑）。

但到这里为止，光线追踪还没有展现出比光栅化高明的地方——上面的计算，光栅化也能做。

真正的杀手锏，在下一步。

这是 Whitted 在 1980 年那篇经典论文里引入的核心思想（5）：在交点处，不只算本地光照，还要继续发射新的光线，去"问"周围的环境。

具体来说，从交点出发会发射三种 次级光线（secondary rays）：

反射光线（reflection ray）：如果物体表面是光滑的（比如镜子、金属、水面），就在交点处按反射定律弹出一条新光线，继续追踪它撞到什么。那条新光线的颜色，会成为这个反射点颜色的一部分。

折射/透射光线（transmission/refraction ray）：如果物体是透明的（比如玻璃、水），就按斯涅尔定律算出光线穿过物体后的方向，继续追踪。这就能产生玻璃球后面物体扭曲变形的效果。

阴影光线（shadow ray）：从交点向每一个光源发射一条光线。如果这条光线在半路被其他物体挡住了，说明这个交点处于阴影中——光源的贡献就不计算。2 5

这些次级光线自己又会碰到新的物体，在那些新交点上继续发射次级光线……递归下去，直到达到设定的最大深度（比如 5 层、10 层），或者光线射出了场景。

对比一下光栅化和光线追踪，你就明白了。

在光栅化里，要做一个镜面反射，程序员得额外渲染一张"环境贴图"贴在镜子上——而且这张图是预先烘焙好的，场景里动态移动的物体反射不出来。

但在光线追踪里，反射是 自然发生 的：主光线打到镜面，反射光线弹出去，撞到场景里的另一个物体——那个物体的颜色就直接被反射回来了。不需要预烘焙，不需要额外 hack，场景里任何物体动了，反射内容自动跟着更新。1 2

同理，阴影在光线追踪里就是"从交点向光源射一条光线，看它有没有被挡住"——简单、直接、物理正确。玻璃折射也是，光线穿过玻璃时按折射定律偏折，再在另一面继续追踪，扭曲效果自然产生。

这就是为什么光线追踪渲染的画面会有那种"突然变真"的感觉：阴影不是硬邦邦的一团黑，反射不是贴上去的假图片，玻璃不是半透明的塑料片。 所有效果都是同一个物理模拟过程的自然产物。

代价就是计算量，而且是巨大的计算量。

想想看：每个像素要发射一条主光线，每条主光线如果打到反射面，又要发射反射光线，反射光线再打到物体，可能还要发射阴影光线……场景有 100 万个三角形，每一条光线都要和这些三角形做相交测试。3

1980 年 Whitted 用他的算法渲染一张图，分辨率 512×512，花了 好几十分钟。直到 2018 年英伟达推出 RTX 系列显卡，才第一次让光线追踪在实时游戏里跑起来——靠的是专门为光线/三角形相交测试设计的硬件加速单元。

但那是下一篇的内容了。今天你只需要记住光线追踪的核心理念：从像素出发，沿着光线的路径反向追踪，在每一个交点问"你看到了什么"，然后递归地追问下去。 这种"一条光线的旅程"，让阴影、反射、折射这些跨物体的光学效果，从"需要额外 hack 的难题"变成了"自然发生的副产品"。