實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)在未來設(shè)計(jì)領(lǐng)域的可行性研究

李宇星

摘 要：設(shè)計(jì)行業(yè)在城市發(fā)展中占有重要地位，從城市規(guī)劃到室內(nèi)家裝，設(shè)計(jì)都是必不可少的一部分，設(shè)計(jì)工具是設(shè)計(jì)行業(yè)人士火熱討論的話題，新的設(shè)計(jì)工具帶來新的工作流程，不斷便捷創(chuàng)作者，縮短創(chuàng)作流程。進(jìn)入信息時(shí)代，計(jì)算機(jī)與人類的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，相較于原始的手工設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的效率是以往的數(shù)倍，大量的設(shè)計(jì)師、藝術(shù)家、工程師轉(zhuǎn)向這一新的生產(chǎn)方式。結(jié)合當(dāng)下設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的大環(huán)境，立足于社會(huì)對(duì)更加真實(shí)的圖形需求，全文以實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)為落腳點(diǎn)，文章第一部分介紹技術(shù)原理與該技術(shù)存在的重要性;第二部分探討行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、未來發(fā)展趨勢(shì);第三部分對(duì)如何引起有關(guān)行業(yè)的變革提出假設(shè)，通過游戲、設(shè)計(jì)行業(yè)現(xiàn)有的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)運(yùn)用驗(yàn)證文章設(shè)想的正確性。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)光線追蹤;計(jì)算機(jī)圖形學(xué);圖形改革;設(shè)計(jì)與藝術(shù)

引言

計(jì)算機(jī)硬件的計(jì)算能力逐漸強(qiáng)大，計(jì)算機(jī)的圖形處理效果逐漸向真實(shí)性靠攏;發(fā)展至今，各種光線計(jì)算，模型計(jì)算逐漸成熟，愈來愈能滿足設(shè)計(jì)師與藝術(shù)家的圖形處理需求，實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的出現(xiàn)將計(jì)算機(jī)圖形表現(xiàn)效果又拉高了一個(gè)臺(tái)階，這一新技術(shù)所造成的行業(yè)變革使業(yè)內(nèi)人士不得不引起重視。

1.實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的定義及其重要性

1.1這一技術(shù)是什么

實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)可以被拆分為兩部分，光線追蹤和實(shí)時(shí)渲染。

光線追蹤技術(shù)很早就有了，業(yè)界公認(rèn)此算法為Turner? Whitted在1980年提出[1]。早期的光線追蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法非常簡(jiǎn)單，其目的在于通過追蹤穿過畫面的光線，觀察哪些物體與其相互作用，從而模擬光線的傳播路徑。光線追蹤是目前最能模擬真實(shí)光照的技術(shù)，在游戲、設(shè)計(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。

實(shí)時(shí)渲染是計(jì)算機(jī)在顯示器上做到即時(shí)成像的技術(shù)[2]，將實(shí)時(shí)渲染與光線追蹤技術(shù)結(jié)合是近年才出現(xiàn)的，實(shí)時(shí)光線追蹤要瞬間計(jì)算無數(shù)條光線并顯示最終效果，因此所需算力非常大[3]。各種渲染理論出現(xiàn)得很早但沒有相應(yīng)的承載工具，想要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光線追蹤計(jì)算幾乎是不可能的，不過出現(xiàn)支持高效運(yùn)行實(shí)時(shí)光線追蹤程序的計(jì)算硬件后，未來設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)⑦@一渲染方式作為主流并不無可能。

1.2這一技術(shù)存在的重要性

每一次技術(shù)進(jìn)步都能引起相關(guān)行業(yè)的變革，同時(shí)帶動(dòng)科技，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域也不例外。將工作時(shí)間縮短，圖像表現(xiàn)效果增強(qiáng)一直都是計(jì)算機(jī)圖形開發(fā)者所追求的，每一次圖形顯示效果迭代都能在各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。

如何把設(shè)計(jì)作品以更好的方式展現(xiàn)給客戶是設(shè)計(jì)行業(yè)長(zhǎng)期研究的問題。設(shè)計(jì)作品的表現(xiàn)方法有很多，不同的表現(xiàn)風(fēng)格、表現(xiàn)形式使得作品最終呈現(xiàn)的效果也不同。在建筑設(shè)計(jì)行業(yè)與游戲動(dòng)畫行業(yè)里，極為接近寫實(shí)是主流的審美，模擬人眼所能看見的畫面會(huì)有更多受眾面。實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)帶來的不僅是畫面更加真實(shí)，采用它處理圖形相當(dāng)于跳過了傳統(tǒng)意義上的“渲染”過程，對(duì)于創(chuàng)作者而言，這將改變行業(yè)的工作流程。

“渲染”是計(jì)算機(jī)圖形表現(xiàn)內(nèi)不可分割的一部分，產(chǎn)生好的畫面要進(jìn)行不同的運(yùn)算，包括光線的運(yùn)算，材質(zhì)的運(yùn)算，模型的運(yùn)算，這個(gè)過程會(huì)消耗大量的時(shí)間，但實(shí)時(shí)光線追蹤的出現(xiàn)大大縮短了渲染時(shí)間，傳統(tǒng)的預(yù)渲染預(yù)覽效果變成了實(shí)時(shí)預(yù)覽效果，真正做到了所見即所得。

這一新技術(shù)的出現(xiàn)是劃時(shí)代的，它不僅提高了創(chuàng)作者的工作效率，而且能更好地向服務(wù)對(duì)象表達(dá)創(chuàng)作想法。行業(yè)內(nèi)對(duì)這一技術(shù)的認(rèn)可度逐漸增加，影視制作，游戲設(shè)計(jì)乃至未來的交互技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)光線追蹤都會(huì)有很強(qiáng)的使用需求。

2.設(shè)計(jì)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)

2.1設(shè)計(jì)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（1）圖形革新速度趨于緩慢

雖然每年設(shè)計(jì)行業(yè)的軟件都在更新，但是真正做到畫面表現(xiàn)上的飛躍非常少，多年前的計(jì)算機(jī)就能夠做到極其真實(shí)的畫面了，無論是光影還是材質(zhì)表現(xiàn)，基本都能達(dá)到以假亂真的效果，跟現(xiàn)在比起來更多是受到了硬件的制約。近幾年的圖形表現(xiàn)更多是優(yōu)化計(jì)算方式，縮短計(jì)算時(shí)間，在圖形表現(xiàn)風(fēng)格上做文章[4]。

（2）傳統(tǒng)渲染方式占主導(dǎo)

近幾年設(shè)計(jì)行業(yè)的工作方式并沒有很大的變化，大多公司還是采用傳統(tǒng)工作流程，除非公司的市場(chǎng)體量足夠大，有足夠資金支持技術(shù)迭代，一般的小設(shè)計(jì)公司則會(huì)因?yàn)槌杀驹虿粫?huì)去采用不成熟的技術(shù)。設(shè)計(jì)市場(chǎng)對(duì)于新的圖像技術(shù)沒有表現(xiàn)出非常大的反響，大量設(shè)計(jì)公司依然存在十多年前的老技術(shù)，傳統(tǒng)渲染方式長(zhǎng)期存在對(duì)新技術(shù)的普及也會(huì)起到阻礙。

（3）可選渲染工具增多，設(shè)計(jì)技術(shù)陷入瓶頸

現(xiàn)在設(shè)計(jì)市場(chǎng)上有V-ray、阿諾德、red-shift等一眾主流渲染器，還有乘實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)勢(shì)頭的國產(chǎn)渲染器Dimension 5出現(xiàn)?？晒┰O(shè)計(jì)師選擇的渲染工具越來越多，不同的公司也有自己的一套工作流程，盡管豐富的渲染器可以滿足市場(chǎng)需求進(jìn)行不同的搭配，但是他們表現(xiàn)的畫面沒太大區(qū)別，不僅在對(duì)設(shè)計(jì)師的培養(yǎng)上會(huì)花費(fèi)更多成本，也增加了設(shè)計(jì)師的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

2.2未來設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展道路

（1）游戲影視

自2018年有了可以支持實(shí)時(shí)光線追蹤計(jì)算的硬件在市面上流通，游戲行業(yè)就積極向這一新技術(shù)靠攏，不少開發(fā)者表示將會(huì)把自己的作品加入實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)。新技術(shù)的確給開發(fā)者帶來了福音，在游戲開發(fā)過程中，光線布置一直都是令人頭疼的問題，在實(shí)時(shí)光照技術(shù)出來之前，處理場(chǎng)景光照需要花費(fèi)大量時(shí)間，基于真實(shí)物理計(jì)算的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)跳過了繁瑣、機(jī)械、耗時(shí)的全局光照烘焙，解決了毫無意義的人力消耗，多余的時(shí)間以便開發(fā)者更好地研究作品的內(nèi)容。

除了游戲行業(yè)在更新迭代，影視行業(yè)也在悄然變革?，F(xiàn)代科技讓影視制作方式以極為高效的方式呈現(xiàn)，不拘泥于曾經(jīng)的“演員+自然場(chǎng)景”或者“演員+綠幕”，過去只有少數(shù)的大片制造廠才能做到的事情，現(xiàn)在利用實(shí)時(shí)技術(shù)，具有電影夢(mèng)想的人也可以去實(shí)現(xiàn)。2020年“實(shí)時(shí)光線追蹤”逐漸被運(yùn)用到影視制作領(lǐng)域，“虛擬制片”成為影視行業(yè)的熱門詞匯。Epic Games與奧斯卡、艾美、BAFTA獲獎(jiǎng)電影人和軟件工程師一起利用Unreal Engine （虛幻引擎）的實(shí)時(shí)技術(shù)，突破影視的制作邊界[5]。

實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的運(yùn)用降低了創(chuàng)作的門檻，使更多的創(chuàng)作者進(jìn)入行業(yè)，更多的文化產(chǎn)品流入市場(chǎng)，這將會(huì)成為行業(yè)的幸事。

（2）藝術(shù)設(shè)計(jì)

為了方便與客戶溝通，加速工作流程，原始的設(shè)計(jì)表現(xiàn)給設(shè)計(jì)行業(yè)帶來了巨大壓力，為了滿足客戶的需求，設(shè)計(jì)師在未來需要提供更高質(zhì)量的畫面表現(xiàn)，而光線追蹤、增強(qiáng)型VR頭戴式顯示器和實(shí)時(shí)圖形引擎等最新技術(shù)則可以滿足需要。

大膽想象，“讓設(shè)計(jì)更近一步”，這將是未來設(shè)計(jì)行業(yè)所追求的，前沿設(shè)計(jì)更加講究可交互式，讓客戶能以第一人稱漫游整個(gè)場(chǎng)景，隨意更改家具擺放位置，隨時(shí)更改家具材質(zhì)顏色，相對(duì)于傳統(tǒng)的渲染圖，交互漫游有了更靈活、更直觀、具有操作性和趣味性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)式的純觀賞設(shè)計(jì)在將來很可能被交互式設(shè)計(jì)擠占發(fā)展空間。

3.結(jié)論

通過對(duì)設(shè)計(jì)市場(chǎng)的分析、技術(shù)運(yùn)用的調(diào)查以及業(yè)內(nèi)人士對(duì)這一技術(shù)的反應(yīng)可以得出結(jié)論：實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)在未來設(shè)計(jì)領(lǐng)域是可行的并且會(huì)有長(zhǎng)足發(fā)展。但是我們對(duì)它的出現(xiàn)應(yīng)該保持辯證對(duì)待的態(tài)度，不能因?yàn)樵摷夹g(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)使我們絕對(duì)樂觀，也不能對(duì)它存在的問題視而不見，從業(yè)者應(yīng)該做到對(duì)新技術(shù)的合理應(yīng)用，同時(shí)對(duì)新技術(shù)所造成的影響進(jìn)行分析把控。

3.1順應(yīng)趨勢(shì)

雖然行業(yè)內(nèi)大多數(shù)人支持實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的運(yùn)用，但也有一部分人持反對(duì)意見，聲稱“實(shí)時(shí)光線追蹤無用”、“資本家的利益黑洞”。

說此技術(shù)無用主要是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)中，光柵化渲染方式占主導(dǎo)，光柵化渲染主要是通過計(jì)算三角形和多邊形來獲得畫面輸出，這只能盡可能模擬真實(shí)世界，而沒辦法逼近真實(shí)的世界。雖然光柵化渲染方式在光線投射、反射、折射表現(xiàn)上沒有實(shí)時(shí)光線追蹤表現(xiàn)得真實(shí)，但是如果愿意花費(fèi)大量時(shí)間，投入大量人力還是可以表現(xiàn)得跟實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)計(jì)算的畫面沒太大區(qū)別，特別是表現(xiàn)某些沒有較強(qiáng)反射與折射的場(chǎng)景，在觀感上兩者展現(xiàn)的效果難以分辨，大多數(shù)情況考慮到性能和成本問題會(huì)盡量避免采用實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)。

將實(shí)時(shí)光線追蹤比作“資本家的利益黑洞”也不是沒有道理。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)是需要強(qiáng)大的電腦硬件支持，2018年硬件廠商發(fā)布了第一代支持實(shí)時(shí)光線追蹤的顯示卡，不僅價(jià)格比以往更高，而且性能并沒有很令人滿意，有人挖出了廠商為了搶占市場(chǎng)，采取的一些壟斷手段，為了普及“他們的”新技術(shù)采取的某些夸大宣傳，在前期宣傳的光芒與后期性能的拉胯的強(qiáng)烈對(duì)比下，被人們視為資本黑洞也有得解釋了。

盡管目前實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)還存在不足，受到了不少批評(píng)，但是總體發(fā)展趨勢(shì)是沒有問題的，如果實(shí)時(shí)光線追蹤沒有出現(xiàn)，也會(huì)有其他類似的技術(shù)出現(xiàn)填補(bǔ)市場(chǎng)的需要，只要不會(huì)影響行業(yè)的正常秩序，能夠?yàn)樾袠I(yè)發(fā)展提供保障，從業(yè)者應(yīng)該順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

3.2辯證對(duì)待

（1）辯證看待實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)帶來的畫面表現(xiàn)

能夠表現(xiàn)設(shè)計(jì)師想法的重點(diǎn)不是工具，而是設(shè)計(jì)師本身的能力，不同的工具只是區(qū)分了作品的表達(dá)方式，作品質(zhì)量的好與壞不能以工具的好壞決定，好的技術(shù)支持能夠幫作品添彩，便捷創(chuàng)作流程，但沒有很好的技術(shù)保障也不代表無法制作出好的作品。

現(xiàn)在很多人陷入了誤區(qū)：好的技術(shù)、工具可以彌補(bǔ)作品的不足。許多創(chuàng)作者乘工具的便捷，不斷加快創(chuàng)作速度，利用工具的強(qiáng)大表現(xiàn)能力營造視覺上的沖擊感，不只是室內(nèi)外設(shè)計(jì)，電影、游戲皆如此，在追求畫面沖擊的過程中忽視了對(duì)作品內(nèi)涵的刻畫，因?yàn)榧夹g(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)而忽略了作品最重要的東西，作品的表達(dá)浮于表面，也就造成了現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)擁有如此優(yōu)秀的畫面表現(xiàn)力的作品比不上多年前畫面不怎么精良的作品。

（2）辯證看待實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)帶來的行業(yè)影響

設(shè)計(jì)的工作量很大，因此行業(yè)中產(chǎn)生了不同分工，比如影視制作從拍攝到剪輯到后期，動(dòng)畫的建模到貼圖到渲染，每一步都需要花費(fèi)大量的時(shí)間，原始工作流程對(duì)于從業(yè)者的要求也不低，特別是做渲染對(duì)于燈光的把控很嚴(yán)格，實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，降低了設(shè)計(jì)師的工作量，但同時(shí)也放低了設(shè)計(jì)行業(yè)的入職標(biāo)準(zhǔn)，致使從業(yè)者增多，競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng)，原始的設(shè)計(jì)行業(yè)只有尋找新的突破口。

參考文獻(xiàn)：

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