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光栅化+光线追踪混合渲染技术解析
资料介绍
一、渲染技术发展背景
光栅化是计算机图形学中发展最早、应用最广泛的实时渲染技术，从早期的2D游戏到如今的3A大作，光栅化凭借高效的处理速度，一直占据着实时渲染领域的主导地位。但光栅化本质是将三维几何投影到二维平面进行片段处理的技术，它通过预计算纹理、法线等数据模拟光照，很难精准模拟真实世界中复杂的全局光照效果，比如漫反射反弹、软阴影、复杂介质透射、反射折射多次反弹等物理真实的光照交互，这些效果对光栅化来说要么需要复杂的 hack 技巧实现，要么根本无法做到。
光线追踪则是基于物理光学原理的渲染技术，它通过模拟光线从光源出发，在场景中不断弹射、吸收、散射最终进入相机的过程，能够生成物理级真实的渲染结果，在影视渲染离线领域已经应用了数十年。但光线追踪最大的问题是计算量极大，每一个像素都需要发射多条光线遍历场景，面对复杂的大场景，传统纯光线追踪很难达到实时渲染的帧率要求，即使是目前性能最强的消费级GPU，也很难在4K分辨率下稳定60帧运行纯光线追踪的3D场景。
正是因为两种技术各有优劣，行业内逐渐发展出光栅化+光线追踪混合渲染的技术路线，结合光栅化的高效性和光线追踪的真实感，在当前硬件条件下实现画质和性能的平衡，这也是当前次世代游戏、实时三维可视化领域的主流渲染方案。
二、光栅化与光线追踪的核心原理
（一）光栅化核心逻辑
光栅化的渲染流程大致分为四个阶段：顶点处理、图元装配、光栅化、片段处理。首先，CPU将场景的几何数据提交给GPU，GPU的顶点着色器对每个顶点进行坐标变换，将顶点从模型空间变换到齐次裁剪空间，然后进行图元装配，将顶点组装成三角形等基本图元；接下来光栅化阶段会把这些连续的图元离散成屏幕空间上的一个个片段（像素候选），判断每个片段是否在三角形内部，得到每个片段的深度、重心坐标等信息；最后片段着色器对每个片段进行着色，计算颜色、法线、材质属性，再做深度测试、模板测试、混合等操作，最终输出到屏幕。
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