光线追踪，路径追踪，光线步进，光线投射

光线追踪（Ray Tracing）应该是最基础的，核心是发射光线检测交点，模拟反射折射。但传统方法可能只处理镜面效果，而真实世界还有漫反射，这时候路径追踪（Path Tracing）就派上用场了，通过多次采样和蒙特卡洛方法处理复杂光照，尤其是全局光照效果，不过计算量很大。

光线步进（Ray Marching）听起来和光线投射有点像，但主要用于处理隐式表面，比如SDF。它是一步步推进光线检测距离，而不是直接求交，适合烟雾、云层或者程序化生成的场景。而光线投射（Ray Casting）是最简单的，主要用于快速检测视线是否碰撞物体，比如早期的3D游戏或者体积渲染的初始步。

路径追踪是光线追踪的扩展，而光线步进和光线投射是不同用途的技术

1. 光线投影

核心思想：这是最简单、最基础的技术。对于屏幕上的每个像素（更具体地说，从相机/视点出发通过该像素的一条射线），沿着这条射线的方向投射一条光线。

关键操作：找到这条光线与场景中最近的物体的交点。

输出：通常直接使用交点处物体的颜色（或简单纹理）作为该像素的颜色。不考虑光照计算（如阴影、高光）或光线在交点后的行为（反射、折射）。

应用：早期3D游戏（如《德军总部3D》）、体积渲染（如CT/MRI数据可视化的第一步）、简单的视线检测（如判断物体是否可见）。

特点：速度快，实现简单，效果非常基础（类似无光照的线框图填充了颜色）

2. 光线追踪

核心思想：在光线投射的基础上进行扩展。同样从相机发射光线（主光线）并找到第一个交点。

关键操作：在交点处，根据物体的材质属性，模拟光线的后续行为：

• 反射：生成一条新的反射光线，继续追踪。
• 折射：生成一条新的折射光线（如果物体透明），继续追踪。
• 阴影：从交点向光源发射一条阴影光线（或称为“感觉光线”）。如果这条光线在到达光源前被其他物体阻挡，则该交点处于阴影中。

输出：像素颜色是交点处物体自身的颜色（考虑纹理）、直接光照（考虑阴影）以及递归追踪到的反射/折射光线带来的颜色贡献的综合结果。

应用：电影特效、高质量离线渲染、需要精确反射/折射效果的场景。

特点：能生成非常逼真的镜面反射、折射、硬阴影效果。计算量比光线投射大很多（尤其是递归深度深时），通常用于非实时渲染。经典光线追踪通常只精确模拟镜面反射/折射，对漫反射的处理是近似或简化的。

3. 路径追踪

核心思想：这是光线追踪的一种具体实现方法，并且是当前最主流的、能物理正确地模拟全局光照的技术。它基于蒙特卡洛积分。

关键操作：

• 从相机发射主光线。
• 找到交点后，不再确定性地计算反射/折射方向。
• 而是根据交点处材质的双向反射分布函数，随机地选择一个新的光线方向进行追踪（重要性采样）。
• 这个过程递归进行，直到光线达到最大深度、射出场景或根据俄罗斯轮盘赌终止。
• 每条路径（从相机出发，经过一系列反弹，最终到达光源或射出场景）对像素颜色的贡献被累积。
• 对每个像素发射多条路径（采样数），最后取平均值来减少噪声。

输出：像素颜色是所有成功路径贡献的平均值。它能自然产生软阴影、漫反射互光照、焦散等复杂光照效果。

应用：现代电影渲染引擎（如皮克斯的RenderMan、迪士尼的Hyperion）、高端产品可视化、追求物理真实感的离线渲染。

特点：是无偏的蒙特卡洛方法（理论上无限采样收敛到真实解），能处理所有类型的光传输（漫反射、光泽、镜面）。计算量极大，噪声随采样数减少而减少，是离线渲染的黄金标准。路径追踪是解决渲染方程的一种有效且流行的蒙特卡洛方法。

4. 光线步进

核心思想：这是一种不依赖显式几何求交的渲染技术，特别适合渲染隐式定义的表面（如由有符号距离场定义的形状）、体积效果（云、烟、火）和程序化生成的内容。

关键操作：

• 同样从相机发射光线。
• 不直接计算光线与物体的精确交点。
• 沿着光线方向，一步一步地前进。
• 在每一步的位置，调用一个距离函数（通常是SDF - Signed Distance Field）。这个函数告诉你当前位置到最近物体表面的最短距离。
• 以这个距离（或更小一点）作为下一步的步长。因为该距离保证了在这个步长范围内不会碰到任何表面。

• 重复这个过程，直到：

  距离值小于一个很小的阈值（认为已到达表面）。

  步数超过最大值。

  光线累计行进距离超过最大距离。

• 如果到达表面，则计算该点的光照和着色。

输出：像素颜色可以是到达表面的着色结果，或者是在行进过程中累积的体积效果（如烟雾的颜色、密度）。

应用：Shadertoy上的实时艺术演示、程序化建模和动画、体积效果渲染（云、烟）。

特点：非常灵活，能渲染传统多边形难以表达的复杂形状和体积。效率高度依赖于距离函数的计算速度和步进策略。需要仔细控制步长和精度以避免走过头（漏掉表面）或效率过低。通常不直接处理复杂的全局光照（如多次漫反射反弹），但可以结合环境光遮蔽或其他近似技术。

总结与关系：

光线投射是基础：发射光线，找最近交点，简单着色。

光线追踪是扩展：在交点处模拟光线的物理行为（反射、折射、阴影），追求更真实的效果（尤其是镜面效果）。

路径追踪是实现光线追踪的一种具体且强大的方法：使用随机采样和蒙特卡洛积分来物理正确地计算所有类型的光传输（包括困难的漫反射全局光照），是离线渲染的基石。

光线步进是一种替代的求交/渲染技术：通过逐步前进和距离函数来渲染隐式表面和体积，不依赖传统几何求交。它有时会与光线追踪/路径追踪结合使用（例如，在体积内部使用光线步进采样，在表面使用路径追踪），但其核心的步进机制是独特的。

版权声明：本文为CSDN博主「@Dinosaur」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/2301_81589795/article/details/149356007