光栅化 VS 光线追踪

图形学研究如何使用计算机模拟现实，当我们在谈渲染的时候，大致可以分为两个方向：

• Ray Tracing，即光线追踪，一般用于离线渲染，效果好，但是计算量大，耗时长。
• Rasterization，即光栅化，一般用于实时渲染，效果差，但是计算量小，耗时短。

实际上，在现代 GPU 和各种光栅化渲染算法的的加持下，光栅化的效果已经非常逼真了，光栅化的效果一点也不差。只是相比于光线追踪来说，效果还是差点。

一个简单的光线追踪流程：发射一条光线，经过一系列地镜面反射、漫反射、折射等现象，最终打到一个物体上，得到一个颜色。几个原因导致了计算量的爆炸：

1. 像素数量多
2. 因为反射和折射结果不稳定，一个像素需要几十甚至上百次采样平均才能获得一个稳定的结果
3. 每一次采样都会反射或者折射很多次
4. 每一次反射或者折射，都需要和场景中的每个物体相交判断，不过使用屏幕空间划分技术可以解决这个问题

总结一下，光线追踪的时间复杂度：Pixel * Sampling * (Reflection + Refraction) * (Object + Light)，堪称炸裂。

如果你使用了屏幕空间划分技术（例如 BVH），会让结果好很多：Pixel * Sampling * (Reflection + Refraction) * log(Object + Light)。

还有一种优化思路，就是让采样结果更加稳定，一旦采样结果稳定了，就可以大幅减少采样数量，在传统的 Whitted Style Ray Tracing 中，具体的措施有比如通过蒙特卡洛方法求各种表面和光源的概率分布，比如对光源进行重要性采样。

一个简单的光栅化流程：把场景中所有物体的点经过矩阵计算映射到 2D 屏幕空间，三个顶点构成一个三角形，对每一个像素，取最近的三角形，计算三角形在这个像素的颜色（通过三个顶点颜色插值）。

像素

无论是哪一种，都需要靠屏幕来展示它们，屏幕由一个一个像素构成，那么什么是像素呢？

通常来说，大部分普通人眼里的像素是这样的：

这种网格模型深入人心，但是这种模型仅仅在光栅化的时候才是可接受的，对于光线追踪来说，可能完全不是这样。

像素并不是你想得那么简单，更加专业的图形学人会告诉你：像素是一组离散的对场景颜色的采样结果，之所以这么说，是因为像素可能是一个采样点，也可能是多个采样点混合而成的，它的采样区域可能是方形的，也可能是圆形的。

所以，网格像素模型只是一种光栅化的时候简化像素的处理：我们认为在这个网格区域内，只产生一次采样，它处于网格的正中心。

那么如果要渲染一个场景，只需要把每一个网格填上颜色就可以了，光栅化实际上就是在聊怎么填颜色这件事情。比如你需要对场景里的物体进行排序，离相机近的物体表面颜色就是你想要绘制的图形的颜色。

光线追踪技术则是基于物理，从一个像素点出发，经过多次反射，得到最终颜色，但是一个像素一条射线远远不够，因为这样误差会很大，往往一个像素需要数百条射线的结果求平均。

光线追踪的本质就是对场景不断进行采样以降低噪点，最终得到最接近真实的图像。

从时间复杂度来说，光栅化无疑比光线追踪来得更加好，但是因为缺少严谨的物理模型，光栅化的效果比光线追踪差很多，所以在对性能要求不高，但是对效果要求高的离线渲染中，光线追踪被普遍运用。

截至文章编写日期，已经有游戏比如 赛博朋克2077 2.0 运用了 Path Tracing 技术，也叫 Monte Calo Ray Tracing，比传统的 Whitted Style Ray Tracing 性能更加好，效果也更棒。

光栅化程序开发流程

1. 创建一个窗口，并绘制直线，三角形，带有顶点数据的物体。

施工中…

Reference

Fundamentals of Computer Graphics