光追为什么真，又为什么慢？

07 · 1让光线自己去找

右边做的，正是上一课第一节那个「太慢」的办法：每个像素从相机射一条线，在整个场景里找它先碰到谁。碰到镜面，就按反射的方向拐个弯，接着在整个场景里找。画面外的红方块、被挡住的东西，只要在场景里，就找得到。这叫光线追踪（ray tracing）。

影子也这样算：线碰到地面上一点，再从这一点朝灯射一条线，中途被球挡住了，这一点就在影子里。游戏算影子是另一种省法：先从灯的位置拍一张深度图（阴影贴图），再拿画面上每一点和它比；光线追踪不拍图，直接问场景。

注意方向：真实世界里光是从灯出发、弹进眼睛的；算的时候反过来，从相机出发往回找。从灯出发的光绝大多数根本不进相机，算了白算。

实验台 A-3一束光的旅程

来自材料

路径追踪的做法（pbr-book）：在不反光的漫反射面上随机挑方向弹（朝正上方附近挑得多一些），每碰到一次还直接朝灯看一眼；金属按镜面反射，斜着看时反射更强（菲涅尔效应）。噪点曲线是页面现测的：右边地面上白框那一块，和另算的 8192 次采样参考图比。

本实验的设定

几何全是简单形状，金属是理想镜面，没有贴图；「反弹次数」只数漫反射之后又弹了几次；降噪是一个按法线和深度加权的简单滤波。

它能证明

路径追踪不受画面限制；噪点随采样数怎么降（07 · 3 讲规律，那里有实测数）；暗场里一次反弹就看得见颜色渗透。随机数带种子：同样的设置，每次算出同一张图。

它不能证明

Cycles、Lumen 的具体实现和速度；右上角的秒数只说明这台设备算这个小场景有多快。

07 · 2影子里的光从哪来？

看球的影子：它不是全黑的。灯照不到那里，可地面、白墙、红方块被照亮以后，又把光弹了过去。一个点能收到的光，来自它头顶的四面八方。要算清楚，就得把四面八方都问一遍：无穷多条线。

路径追踪的办法是随机：随便挑一个方向弹出去，一路跟着它。碰到灯或天空，就把那里的光带回来；碰到墙或地面，就按那个面的颜色打个折，再随机弹一次；弹到上限为止。这一条路径带回的光，就是这一次的答案，叫一次采样。那每个像素只随机追一条，不就行了？

来自材料

用随机采样求平均的办法叫蒙特卡洛法，它的误差按 1/√N 缩小（pbr-book 第 2 章）；一次非 0 即 1 的采样，散布（标准差：大家离平均值典型地差多远）是 √(p(1−p))，p 是真实亮度。

本实验的设定

每次采样只有「照到」和「没照到」两种结果，真实亮度 p 是照到的比例；64 个像素各用一串独立的、带种子的随机数。

它能证明

噪点就是随机采样的散布，采样变 4 倍、散布减半；实测点贴着理论线走。

它不能证明

真实场景里每个像素的 p 各不相同，一次采样也不止 0 和 1 两种值；规律一样，数不一样。

07 · 3多采几次，噪点降得多快？

采样多了取平均，答案就越来越接近真值，噪点越来越少。问题是：少得多快。

时间这边要分两段说。一帧里随采样变的那一段，采样变 4 倍它就变 4 倍；可每帧还有一段不随采样变的固定开销（把场景摆好交给显卡、画完取回来存文件……），采样开多少它都一样。所以整帧的时间不到 4 倍。第 8 课会在 4080 上把这两段量出来：广州片 2K 从 128 次采样加到 256 次，随采样变的那段翻了一倍，整帧却只从 27 秒到 46 秒，是 1.7 倍。

反过来也一样：少采一半，噪点只多四成（√2 ≈ 1.41）。MotionLib 的片子把每像素采样从 64 降到 32，两张图逐像素比，平均只差不到 1/255，只在湿地面的反光处多了一点颗粒；每帧省了约 40% 的时间，不是一半，省掉的只是随采样变的那一段 C04。噪点和时间不是一比一的买卖：前面便宜，越往后越贵。

07 · 4弹几次才够？

一条路径每在漫反射的表面上弹一次，带回的光就乘上那个表面反射的比例（实验台里的白墙设的是约八成；红方块的红光约八成，绿光和蓝光只剩几个百分点）。弹得越多，带回的越少，可每一次都要多找一次、多算一次。所以渲染器都给反弹次数设个上限：红魔的渲染脚本给 Cycles 设的是总共最多弹 4 次。

这里的次数，数的是「碰到漫反射面以后，还要不要接着弹」：0 次＝地面只收灯直接照过来的光，然后进相机；1 次＝地面还收从别的面弹过来一次的光。所以 0 次时，灯照不到的地方几乎全黑。

07 · 5降噪：用少量采样猜出干净的画面

既然噪点贵，能不能少采样，再把画面「洗」干净？这就是降噪（denoising）：看相邻的像素是不是同一块表面（朝向一样、离相机一样远），是就互相借一点、取平均。广州片的渲染脚本在显卡上用 OptiX 降噪器，喂给它的除了带噪点的画面，还有每个像素处表面本身的底色（不受光照影响）和朝向。

它便宜，也有代价：它分不清噪点和细节。A-3 的 04 里，把采样拨到 16、打开降噪，影子的边和倒影的边都被抹软了。还有一件单看一帧看不出来的事：每一帧的随机采样不同，降噪猜出的斑块也不同，连起来播就会闪、会爬。

广州片的动态分镜就撞上了这两样：每像素只采 16 次、再降噪，放大看，陶塑人物的脸和胡须糊成了色块，一股塑料感；树叶和水面一动起来就在「爬」C03。采样少，降噪就得抹得狠，细节跟着噪点一起被抹掉；每帧抹法不同，连起来就爬。所以广州片正式开渲前，要把连续 4 帧放大两倍，一帧一帧地比，看降噪的斑块有没有在跳 C04。

07 · 6所以它慢在哪

把账连起来：随采样变的那一段 = 像素数 × 每像素采样数 × 每条路径弹几次，每一次都要在整个场景里找；再加上每帧那段固定开销，才是一帧。上一课说的「装箱」在这里出场：一条线先问一层层的箱子，只在碰到的箱子里试三角形，找一次比挨个试少得多。即便这样，广州片 1080p · 128 次采样，一帧也有 1920 × 803 × 128 ≈ 2 亿条路径，每条弹好几次，4080 上一帧 16 秒。游戏每个像素通常只着色一次（光栅化），反射、影子、间接光靠上一课那些「作弊」补。第 8 课把这笔账算到分钟。