实时光追采样 — Wu Chenfeng

一条阴影射线只返回一次可见性，半影需要多次样本的统计结果。实时光追按效果分配射线，再用重要性分布与混合追踪减少无效工作。采样和滤波分别决定估计质量，不能把稳定滤波当成正确采样的替代。

有限射线的贡献估计

射线预算

一帧可用成本需要分给：

主射线可见性；
阴影；
反射；
AO；
漫反射与镜面间接光；
透射或其他特殊路径。

光栅化适合确定主视图的可见表面。实时项目常使用混合渲染：先光栅化 GBuffer，再从可见表面发少量射线解决阴影、反射或间接光。

同样的 1 spp 在不同效果中含义不同。阴影射线返回可见性；反射射线还要着色命中点；间接光可能继续产生次级弹射，计算路径更长；其方差还取决于采样分布与场景。

Monte Carlo 估计

渲染积分可用随机样本估计：

\hat I=\frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}\frac{f(x_i)}{p(x_i)}

$p(x)$ 是采样 PDF。只要满足条件，估计可以无偏，但有限样本存在方差。在独立同分布且方差有限时，标准差按 $1/\sqrt{N}$ 下降，想把噪声减半通常需要约四倍样本。

因此实时渲染不能只靠加样本，需要让 $p(x)$ 更接近贡献分布，并复用其他像素和历史帧的信息。

直接光照采样

场景有大量光源时，随机均匀选一盏会浪费样本。可以按光源功率、距离、立体角或估计贡献分配概率。

后继事件估计（NEE）直接从着色点采样光源并发阴影射线，避免等待随机路径碰巧撞到光源。若同时使用 BRDF 采样与光源采样，可用多重重要性采样（MIS）组合，降低某一采样策略失配时的方差。

射线锥与材质 LOD

光栅化可以用相邻像素导数选择纹理层级。射线命中着色器中相邻线程可能命中完全不同表面，ddx/ddy 不再可靠。

射线锥或射线微分估计射线采样足迹，命中后选择合适 Mipmap。若总用 Mip 0，远处反射会闪烁且带宽高；Mip 太粗则细节丢失。

常见实时效果

RT 阴影 从表面向光源采样。面积光需要采样光源表面，单样本会产生随机半影噪声。

RT 反射 对镜面/粗糙方向采样。粗糙度增加会拓宽波瓣，但方差是否变大取决于照明分布与重要性采样，不能只由粗糙度判断。项目可按误差与成本选择探针、屏幕空间反射或其他间接光表示。

RTAO 在法线半球发短射线，估计近场遮挡。距离、Bias 和 Bent 法线会显著影响结果。

实时全局光照与路径追踪 需要对命中点材质继续采样。实时方案常只追踪少量弹射，并使用缓存、Probe、Reservoir 或低分辨率 Trace。

屏幕空间、SDF 与硬件光追

混合追踪可按成本逐级回退：

屏幕空间射线使用当前深度/颜色，便宜且能命中屏幕内高细节，但缺少屏外和被遮挡信息；
SDF/Global Distance Field 覆盖更大空间，几何和材质精度有限；
硬件光追访问已纳入加速结构的几何，成本由构建、追踪与命中着色决定；
未命中后查询探针、环境光或表面缓存。

每一级的命中语义不同。必须记录命中置信度，避免屏幕空间的错误命中覆盖更可靠的结果。

路径贡献

这是算法伪代码，方向PDF使用立体角测度，BRDF与光源采样混合时另用MIS权重。

text

direction, pdf = SampleBsdf(surface, random)
if pdf > 0:
    hitRadiance = TraceAndShade(surface, direction)
    contribution = hitRadiance * bsdf(direction) * abs(dot(normal,direction)) / pdf

面积光的密度转换要随几何一起计算。若在光面以面积密度 $p_A$ 采样，着色点到采样点距离为 r，光面法线与反向射线夹角余弦为 $c_L$ ，则立体角密度为 $p_\omega=p_A r^2/|c_L|$ ，还要乘选中该光源的概率。距离翻倍会改变同一面积所占立体角，漏掉平方项就会让亮度随距离错误变化。例如面积密度为每平方米0.25，距离2米、光面余弦0.5，对应立体角密度为2；再乘选灯概率0.1，联合密度为0.2。只除以条件密度2会让该灯贡献少十倍，因为采中这盏灯的概率尚未补偿。MIS比较的两份密度必须都换到同一测度。

验证方法

固定场景比较1/2/4 spp与高采样参考，分别测Trace与命中着色。记录PDF、命中距离与材质mip，测试小亮光、Alpha和镜面。Monte Carlo与MIS定义以采样专篇为主归属。

实现状态：正文片段用于解释本页数据流与边界条件；完整宿主的编译、运行及性能测量尚未执行。可运行的独立模型以本页列出的具体测试为准。

参考资料

PBRT 4e §12.4：Area Lights：面光源采样与方向密度接口；面积到立体角变换在正文给出几何推导。