1、ray casting

ray casting發(fā)音

英：　　美：

ray casting中文意思翻譯

射線追蹤法

光線投射

ray casting雙語使用場景

1、Ray casting is a widely recognized method for high quality volume rendering.───光線投射是一種高質量的體繪制方法。

2、The frequent ray-casting and alarm-bell-knocking can help in case of our soul badger with system and derogated by it.───經常投以光線，敲響警鐘，以免我們的靈魂被體制糾纏和貶損。

3、Ray casting is a classic algorithm of Volume Rendering.───光線投射算法是體繪制中的經典方法。

4、In this paper, three-dimensional seismic data field of direct volume rendering-Ray Casting Algorithm is mainly studied.───本文主要研究三維地震數(shù)據(jù)場的直接體繪制方法——光線投射算法。

5、The ray-casting algorithm is an important algorithm of volume rendering.───光投射算法是體繪制中一種非常重要的算法。

6、Interpolation is a basic calculation for ray casting algorithm and has a lot of calculation, which directly influence the rendering speed.───插值算法是光線投射法中基本的計算方法，計算量很大，直接影響成像速度。

7、Ray casting is widely applied in virtual endoscope systems, due to high quality images rendered by the algorithm, but it is time-consuming.───光線投射算法因其成像質量高而廣泛地用于虛擬內窺鏡系統(tǒng)，但成像速度非常緩慢。

8、We adopt improved Ray-Casting to render smoke and cloud and map the entire arithmetic process to GPU.───采用改進的光線投射法渲染煙霧和云，并將整個運算映射到GPU。

ray casting相似詞語短語

1、casting───v.鑄造；投擲；投向；選派演員；扔掉（cast的ing形式）；n.鑄造；鑄件；投擲；角色分配

2、ray───vi.放射光線；浮現(xiàn)；n.（Ray）雷（人名）；n.射線；光線；鰩魚；vt.放射；顯出

3、dia casting───他在鑄造

4、casting call───演員選秀；試鏡

5、barrelling casting───筒形鑄件

6、casting frontier───鑄造前沿

7、cousin ray ray───雷·雷表弟

8、casting off───版面計算；輪番移轉；解纜；脫圈

9、casting team───選角隊

2、RTX顯卡支持的實時光線追蹤是什么？

今年計算機圖形學上什么最火爆？那莫過于實時光線追蹤了。GDC 2018上，微軟率先為DirectX 12 API增加了光線追蹤模塊，命名為DirectX Raytracing (DXR)；NVIDIA則是發(fā)布了基于實時光線追蹤的RTX技術；AMD也宣布是自家的ProRender渲染引擎將支持實時光線追蹤。此外諸如EA 寒霜引擎、EA Seed、Unreal 引擎、3DMark、Unity 引擎已經宣布將會引入光線追蹤。但這些似乎距離我們還有些遙遠，直到前兩天NVIDIA發(fā)布了RTX 2080 Ti、RTX 2080、RTX 2070游戲顯卡，明確表示從硬件級別支持光線追蹤！那么到底什么是光線追蹤？

光線追蹤能達到什么樣的效果？其實這個我們每一個人都體驗過，絕大部分科幻、動作電影里面或多或少都會用上光線追蹤這一技術。比如令人血脈賁張的《極品飛車》、《權力游戲》中的火焰、煙霧和爆炸效果仿佛身臨其境，可以說光線追蹤生成的影像與攝影機拍攝的影像難以區(qū)分，這就是光線追蹤能達到的極致效果。但具體如何做到的，請聽我娓娓道來。

其實剛聽說要詳細講一下什么是光線追蹤我是拒絕的，因為，你不能讓我寫，我就馬上去寫，第一里面涉及到算法、數(shù)學原理實在是太多了，因為我不愿意寫的時候涉及過多公式，“Duang”一下，顯得很高大上，這樣觀眾出來一定會罵我，根本看不懂你在講什么，那就等于白講了。后來想了想，希望以最通俗易懂方式來講解光線追蹤是怎么回事，盡可能地少涉及到數(shù)學公式以及算法原理，因為我要讓觀眾看到，我能理解的是這樣子，你們看完之后也會是這個樣子！

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光柵化

想要了解什么是光線追蹤，這里我們不得不提及耳熟能詳?shù)膶I(yè)名詞“光柵化”，因為它是光線追蹤的基礎，也是高效替代方案。為什么會出現(xiàn)這樣看似矛盾的定義？

因為光柵化是一個非常宏大的概念，它有可能是指代某一個框架，也可能是具體到某一個技術上。就目前現(xiàn)階段來說，我們并不愿意將光柵化放到與光線追蹤的對立面上，因為光線追蹤還是需要光柵化作為基礎，同時起到錦上添花作用，因此現(xiàn)階段實現(xiàn)的依然是混合渲染，兩者相輔相成，缺一不可，并不是部分自媒體吹噓的那樣，光線追蹤可以完全替代光柵化。

光柵化的簡單原理：

圖片來源

按照字面意思就是把圖像柵格化、像素化，將電腦生成的矢量圖轉換成屏幕像素點的過程。比方說，游戲中物體建模的時候都是三維，由點線面構成，但要顯示在二維的顯示器上，就需要一個“降維打擊”——光柵化，成為能夠被顯示的像素點，其實就是三維向二維的轉化過程，這是目前渲染的基石。

圖片來源

NVIDIA親自解釋光柵化過程：（不看也不影響閱讀系列）

圖片來源

每個三角形的頂角與大小和形狀不同的其他三角形的頂點相交，每個頂點關聯(lián)著大量信息，包括其在空間中的位置以及有關顏色、紋理及其“正常形式”的信息，這些信息用于確定物體所朝向表面的形式。 計算機隨后將3D模型的三角形轉換為2D屏幕上的像素或點，可以根據(jù)存儲在三角形頂點中的數(shù)據(jù)為每個像素分配一個初始顏色值。

進一步像素處理或“陰影處理”，包括基于場景中的光線如何碰撞像素改變像素顏色，以及將一個或多個紋理應用于像素，從而結合生成應用于像素的最終顏色。

這種技術的計算量異常大。一個場景中的所有物體模型可以使用多達數(shù)百萬個多邊形，4K顯示器中有近800萬個像素。而且屏幕上顯示的每個幀或圖像通常會在顯示器上每秒刷新30-90次。

此外，還要使用內存緩沖區(qū)（為加快運行速度預留出來的一點臨時空間）在即將到來的幀于屏幕上顯示之前預先渲染這些幀。還需使用深度或“Z緩存” 存儲像素深度信息，以確保在屏幕上顯示像素的X-Y屏幕位置上的頂層物體，并且頂層物體背后的物體保持隱藏狀態(tài)。

光柵化過后的平面圖像其實并不真實，這是原理所決定的，因此后期圖形學中出現(xiàn)了增強真實感的各種渲染技術，包括“全局照明”、“環(huán)境光遮蔽”、“漫反射”以及“軟陰影”，他們都是意圖用更低開銷實現(xiàn)更真實的光照效果。

由于都是通過算法來實現(xiàn)，并沒有統(tǒng)一標準，游戲開發(fā)商可以自行選擇并使用，因此我們看到一些游戲里面有各種光影特效，而另一些游戲中就沒有。如此之多、五花八門的技術就是為了創(chuàng)造以假亂真的光照效果，其實說到底就是我們的顯卡算力太弱了，只配用這種近似解的方案。

圖片來自artofvfx

光線追蹤

而在電影行業(yè)中，早就用上了我們提及的光線追蹤，他們已經有相當成熟的解決方案，完全可以達到以假亂真的效果，你看看漫威的科幻大片，是不是給你一種異常真實的錯覺？沒錯，這就是光線追蹤的魅力。

至于為什么電影行業(yè)能這樣做，原因不外乎有兩個：一是有時間，他們采用的離線光線追蹤，是要慢慢一幀幀渲染出來；二是有錢，通常特效工作室會使用到NVIDIA所說的渲染農場，不是一臺電腦在算，而是一個個渲染集群服務器在工作，算力是你機箱里的GTX 1080 Ti成千上萬倍，因此它們可以這樣玩。

圖片來源

光線追蹤的歷史

其實光線追蹤并不是近幾年才有的概念，它的歷史甚至可以追溯到上世紀70年代。

1968年，Arthur Appel在其論文《 Some techniques for shading machine rendering of solids》提出Ray Casting（光線投射）的新概念，這也是后來光線追蹤的基石。

圖片來源見水印

其具體思路是從每一個像素發(fā)出一條光線，然后找出會擋住傳播路徑的物體，那么只要計算被擋住之前的傳播路徑（直接光照部分），而視平面上每個像素的顏色取決于從可見光表面產生的亮度。

1969年就任于IBM的Arthur Appel在《Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids》論文中首次提出Ray Tracing（光線追蹤）。此技術可追蹤通過2D視平面上每個像素發(fā)射的光線路徑，并應用到場景的3D模型中。

但一直等到10年后的1979年，Turner Whitted才繼續(xù)在論文《An Improved Illumination Model for Shaded Display》中，具體解析如何捕捉反射、陰影和反射。在光線投射的基礎上，加入光與物體表面的交互。

圖片來源見水印

光線追蹤主要思想是從視點向成像平面上的像素發(fā)射光線，找到阻擋光線傳播的最近物體，如果交點表面為散射面，則計算光源直接照射該點產生的顏色；如果該交點表面為鏡面或折射面，則繼續(xù)向反射或折射方向跟蹤另一條光線，如此往復循環(huán)，直到光線射出場景或者達到規(guī)定計算次數(shù)（還是為了節(jié)省資源）。這個方法被稱之為經典光線跟蹤方法或者遞歸式光線追蹤方法。

圖片來源見水印

順帶提醒一下大家，Turner Whitted作為光線追蹤的創(chuàng)始人，目前就任于NVIDIA 研究事業(yè)部，所以你能理解NVIDIA為什么那么熱衷于光線追蹤追蹤了嗎？

光線追蹤目前的瓶頸——計算量龐大、小樣本計算噪點

光線追蹤是三維計算機圖形學中的特殊渲染算法，它與之前計算光源光線傳播路徑不一樣，利用光的可逆性質，反向計算，跟蹤從眼睛發(fā)出的光線，通過技術生成編排好的數(shù)學模型展現(xiàn)出來，這樣的得到畫面效果更佳，對于反射與折射有更準確的模擬效果，并且效率非常高，因此在電影制作過程往往會采用這種高質量的渲染方式。

圖片來源NVIDIA

但很遺憾，光線追蹤最大缺陷在于對算力要求極高，計算量非常龐大，目前的單一硬件很難滿足實時光線追蹤的需求。光柵圖形學中的算法，利用了數(shù)據(jù)的一致性從而在像素之間共享計算，而光線跟蹤通常是將每條光線當作獨立的光線，每次都要重新計算。所以盡管電影特效工作室有龐大的計算集群，但他們也會“偷懶”，只有在關鍵幀、關鍵元素上采用光線追蹤來處理，其余部分依然使用光柵化進行渲染，依然能夠提供非常出色的畫面效果。由此可想而知計算量之大。

按道理來說，每一條光線都有自己的計算，可以正確地處理出光線反射、折射等光學現(xiàn)象，但實際出來的效果有可能與真實情況不一樣。這因為最終的畫面是求解通過渲染方程得到，但有時候方程式解不出來，只能利用蒙特卡洛積分做近似解，需要用到大量的樣本進行求解，在電影使用的離線渲染中，由于沒有計算時間限制，他們通常會采用幾百到幾千以內大樣本進行計算，出來的光線追蹤效果會更好。

一旦用到游戲上就不同了，要達到60fps，也就是一幀只有16ms時間給你進行光線追蹤運算，那么樣本只能盡可能小，這樣就會導致出來解不夠準確，畫面會有大量噪點。

NVIDIA開創(chuàng)了實時光線追蹤新時代

NVIDIA已經預料這一點，針對極低樣本數(shù)量的光線追蹤結果進行實時降噪的研究，并且取得了不錯的結果，最后成為GameWorks SDK 中一個光線追蹤降噪模塊，也就是Denoising算法。最終可以用比較低樣本的光線追蹤應用到實時渲染中，最終渲染質量可以媲美大樣本下的光線追蹤收斂圖像。

另一方面，隨著顯卡計算性能日益提升，NVIDIA認為顯卡加入硬件級光線追蹤支持的時機已經成熟，光線追蹤也會成為未來3A級游戲競相使用的技術，以達到玩家們夢寐以求的畫面效果。因此NVIDIA在經歷Volta游戲顯卡跳票后，帶來了擁有專門處理光線追蹤的RT Core的Turing游戲顯卡，不僅僅可以讓游戲開發(fā)者進行實時光線追蹤計算，所見即所得，而玩家也能從游戲中感受到前所未有、電影級的畫質。

就像NVIDIA所說的那樣，圖靈架構顯卡凝聚了過去10年里在計算機圖形算法和 GPU 架構領域所取得的成果。

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