实时光线追踪技术在未来设计领域的可行性研究

李宇星

摘 要：设计行业在城市发展中占有重要地位，从城市规划到室内家装，设计都是必不可少的一部分，设计工具是设计行业人士火热讨论的话题，新的设计工具带来新的工作流程，不断便捷创作者，缩短创作流程。进入信息时代，计算机与人类的生产生活息息相关，相较于原始的手工设计，计算机设计的效率是以往的数倍，大量的设计师、艺术家、工程师转向这一新的生产方式。结合当下设计行业发展的大环境，立足于社会对更加真实的图形需求，全文以实时光线追踪技术为落脚点，文章第一部分介绍技术原理与该技术存在的重要性;第二部分探讨行业发展现状、未来发展趋势;第三部分对如何引起有关行业的变革提出假设，通过游戏、设计行业现有的实时光线追踪技术运用验证文章设想的正确性。

关键词：实时光线追踪;计算机图形学;图形改革;设计与艺术

引言

计算机硬件的计算能力逐渐强大，计算机的图形处理效果逐渐向真实性靠拢;发展至今，各种光线计算，模型计算逐渐成熟，愈来愈能满足设计师与艺术家的图形处理需求，实时光线追踪技术的出现将计算机图形表现效果又拉高了一个台阶，这一新技术所造成的行业变革使业内人士不得不引起重视。

1.实时光线追踪技术的定义及其重要性

1.1这一技术是什么

实时光线追踪技术可以被拆分为两部分，光线追踪和实时渲染。

光线追踪技术很早就有了，业界公认此算法为Turner  Whitted在1980年提出[1]。早期的光线追踪技术实现的方法非常简单，其目的在于通过追踪穿过画面的光线，观察哪些物体与其相互作用，从而模拟光线的传播路径。光线追踪是目前最能模拟真实光照的技术，在游戏、设计领域都有应用。

实时渲染是计算机在显示器上做到即时成像的技术[2]，将实时渲染与光线追踪技术结合是近年才出现的，实时光线追踪要瞬间计算无数条光线并显示最终效果，因此所需算力非常大[3]。各种渲染理论出现得很早但没有相应的承载工具，想要实现实时光线追踪计算几乎是不可能的，不过出现支持高效运行实时光线追踪程序的计算硬件后，未来设计领域将这一渲染方式作为主流并不无可能。

1.2这一技术存在的重要性

每一次技术进步都能引起相关行业的变革，同时带动科技，经济的发展，计算机图形领域也不例外。将工作时间缩短，图像表现效果增强一直都是计算机图形开发者所追求的，每一次图形显示效果迭代都能在各个领域产生巨大影响。

如何把设计作品以更好的方式展现给客户是设计行业长期研究的问题。设计作品的表现方法有很多，不同的表现风格、表现形式使得作品最终呈现的效果也不同。在建筑设计行业与游戏动画行业里，极为接近写实是主流的审美，模拟人眼所能看见的画面会有更多受众面。实时光线追踪技术带来的不仅是画面更加真实，采用它处理图形相当于跳过了传统意义上的“渲染”过程，对于创作者而言，这将改变行业的工作流程。

“渲染”是计算机图形表现内不可分割的一部分，产生好的画面要进行不同的运算，包括光线的运算，材质的运算，模型的运算，这个过程会消耗大量的时间，但实时光线追踪的出现大大缩短了渲染时间，传统的预渲染预览效果变成了实时预览效果，真正做到了所见即所得。

这一新技术的出现是划时代的，它不仅提高了创作者的工作效率，而且能更好地向服务对象表达创作想法。行业内对这一技术的认可度逐渐增加，影视制作，游戏设计乃至未来的交互技术对实时光线追踪都会有很强的使用需求。

2.设计行业的技术发展现状及未来发展趋势

2.1设计行业的技术发展现状

（1）图形革新速度趋于缓慢

虽然每年设计行业的软件都在更新，但是真正做到画面表现上的飞跃非常少，多年前的计算机就能够做到极其真实的画面了，无论是光影还是材质表现，基本都能达到以假乱真的效果，跟现在比起来更多是受到了硬件的制约。近几年的图形表现更多是优化计算方式，缩短计算时间，在图形表现风格上做文章[4]。

（2）传统渲染方式占主导

近几年设计行业的工作方式并没有很大的变化，大多公司还是采用传统工作流程，除非公司的市场体量足够大，有足够资金支持技术迭代，一般的小设计公司则会因为成本原因不会去采用不成熟的技术。设计市场对于新的图像技术没有表现出非常大的反响，大量设计公司依然存在十多年前的老技术，传统渲染方式长期存在对新技术的普及也会起到阻碍。

（3）可选渲染工具增多，设计技术陷入瓶颈

现在设计市场上有V-ray、阿诺德、red-shift等一众主流渲染器，还有乘实时光线追踪技术势头的国产渲染器Dimension 5出现。可供设计师选择的渲染工具越来越多，不同的公司也有自己的一套工作流程，尽管丰富的渲染器可以满足市场需求进行不同的搭配，但是他们表现的画面没太大区别，不仅在对设计师的培养上会花费更多成本，也增加了设计师的学习负担。

2.2未来设计行业的发展道路

（1）游戏影视

自2018年有了可以支持實时光线追踪计算的硬件在市面上流通，游戏行业就积极向这一新技术靠拢，不少开发者表示将会把自己的作品加入实时光线追踪技术。新技术的确给开发者带来了福音，在游戏开发过程中，光线布置一直都是令人头疼的问题，在实时光照技术出来之前，处理场景光照需要花费大量时间，基于真实物理计算的实时光线追踪技术跳过了繁琐、机械、耗时的全局光照烘焙，解决了毫无意义的人力消耗，多余的时间以便开发者更好地研究作品的内容。

除了游戏行业在更新迭代，影视行业也在悄然变革。现代科技让影视制作方式以极为高效的方式呈现，不拘泥于曾经的“演员+自然场景”或者“演员+绿幕”，过去只有少数的大片制造厂才能做到的事情，现在利用实时技术，具有电影梦想的人也可以去实现。2020年“实时光线追踪”逐渐被运用到影视制作领域，“虚拟制片”成为影视行业的热门词汇。Epic Games与奥斯卡、艾美、BAFTA获奖电影人和软件工程师一起利用Unreal Engine （虚幻引擎）的实时技术，突破影视的制作边界[5]。

实时光线追踪技术的运用降低了创作的门槛，使更多的创作者进入行业，更多的文化产品流入市场，这将会成为行业的幸事。

（2）艺术设计

为了方便与客户沟通，加速工作流程，原始的设计表现给设计行业带来了巨大压力，为了满足客户的需求，设计师在未来需要提供更高质量的画面表现，而光线追踪、增强型VR头戴式显示器和实时图形引擎等最新技术则可以满足需要。

大胆想象，“让设计更近一步”，这将是未来设计行业所追求的，前沿设计更加讲究可交互式，让客户能以第一人称漫游整个场景，随意更改家具摆放位置，随时更改家具材质颜色，相对于传统的渲染图，交互漫游有了更灵活、更直观、具有操作性和趣味性等特点，传统式的纯观赏设计在将来很可能被交互式设计挤占发展空间。

3.结论

通过对设计市场的分析、技术运用的调查以及业内人士对这一技术的反应可以得出结论：实时光线追踪技术在未来设计领域是可行的并且会有长足发展。但是我们对它的出现应该保持辩证对待的态度，不能因为该技术带来的优势使我们绝对乐观，也不能对它存在的问题视而不见，从业者应该做到对新技术的合理应用，同时对新技术所造成的影响进行分析把控。

3.1顺应趋势

虽然行业内大多数人支持实时光线追踪技术的运用，但也有一部分人持反对意见，声称“实时光线追踪无用”、“资本家的利益黑洞”。

说此技术无用主要是因为在传统的实时渲染技术中，光栅化渲染方式占主导，光栅化渲染主要是通过计算三角形和多边形来获得画面输出，这只能尽可能模拟真实世界，而没办法逼近真实的世界。虽然光栅化渲染方式在光线投射、反射、折射表现上没有实时光线追踪表现得真实，但是如果愿意花费大量时间，投入大量人力还是可以表现得跟实时光线追踪技术计算的画面没太大区别，特别是表现某些没有较强反射与折射的场景，在观感上两者展现的效果难以分辨，大多数情况考虑到性能和成本问题会尽量避免采用实时光线追踪技术。

将实时光线追踪比作“资本家的利益黑洞”也不是没有道理。实现这一技术是需要强大的电脑硬件支持，2018年硬件厂商发布了第一代支持实时光线追踪的显示卡，不仅价格比以往更高，而且性能并没有很令人满意，有人挖出了厂商为了抢占市场，采取的一些垄断手段，为了普及“他们的”新技术采取的某些夸大宣传，在前期宣传的光芒与后期性能的拉胯的强烈对比下，被人们视为资本黑洞也有得解释了。

尽管目前实时光线追踪技术还存在不足，受到了不少批评，但是总体发展趋势是没有问题的，如果实时光线追踪没有出现，也会有其他类似的技术出现填补市场的需要，只要不会影响行业的正常秩序，能够为行业发展提供保障，从业者应该顺应技术发展趋势。

3.2辩证对待

（1）辩证看待实时光线追踪技术带来的画面表现

能够表现设计师想法的重点不是工具，而是设计师本身的能力，不同的工具只是区分了作品的表达方式，作品质量的好与坏不能以工具的好坏决定，好的技术支持能够帮作品添彩，便捷创作流程，但没有很好的技术保障也不代表无法制作出好的作品。

现在很多人陷入了误区：好的技术、工具可以弥补作品的不足。许多创作者乘工具的便捷，不断加快创作速度，利用工具的强大表现能力营造视觉上的冲击感，不只是室内外设计，电影、游戏皆如此，在追求画面冲击的过程中忽视了对作品内涵的刻画，因为技术带来的优势而忽略了作品最重要的东西，作品的表达浮于表面，也就造成了现在行业内拥有如此优秀的画面表现力的作品比不上多年前画面不怎么精良的作品。

（2）辩证看待实时光线追踪技术带来的行业影响

设计的工作量很大，因此行业中产生了不同分工，比如影视制作从拍摄到剪辑到后期，动画的建模到贴图到渲染，每一步都需要花费大量的时间，原始工作流程对于从业者的要求也不低，特别是做渲染对于灯光的把控很严格，实时光线追踪技术的出现简化了传统的设计流程，降低了设计师的工作量，但同时也放低了设计行业的入职标准，致使从业者增多，竞争加强，原始的设计行业只有寻找新的突破口。

参考文献：

[1]Kerlow，I.V，Rosebush，J.Computer Graphics for Designer & Artists[M].北京：中國水利水电出版社：1998：3

[2]毛星云.《Real-Time Rendering 3rd》提炼总结[EB/OL].https：//blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/69849858，2021-03-01

[3]毛星云.实时光线追踪技术：业界发展近况与未来挑战[EB/OL].https：//blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/103949788，2020-01-12

[4]导演帮.虚拟制片时代的震撼实例丨鲜观   [EB/OL].https：//www.sohu.com/a/442089834_662944，2021-01-02