基于 WebGL 的实时全局光照路径追踪渲染器
Hacker News 摘要原标题：Real-time PathTracing with global illumination in WebGL
项目核心概述
THREE.js-PathTracing-Renderer 是一个建立在 Three.js 框架之上的实时路径追踪渲染器。它支持全局光照和渐进式渲染，能够直接在浏览器中运行，并根据硬件性能在智能手机或桌面电脑上达到每秒 30 到 60 帧的流畅度。当相机静止时，渲染器会进入渐进模式，通过不断累积采样，最终生成高质量的光学照片级图像。
交互控制方式
• 桌面端：点击屏幕任何位置可捕获鼠标，使用鼠标移动和 WASD 或 QZ 键控制第一人称相机。鼠标滚轮用于缩放。O 和 P 键切换正交与透视模式。左右方向键调整光圈大小（景深模糊效果），上下方向键调整焦点距离。按 ESC 键退出。
• 移动端：滑动屏幕旋转相机，通过屏幕上的四个大箭头按钮控制移动。水平捏合手势用于缩放，垂直捏合手势控制光圈大小。两个小箭头按钮用于调整焦距。
核心功能亮点
• 实时交互：在包括智能手机在内的各种设备上实现每秒 30 到 60 载的实时路径追踪。
• 多样化几何体支持：支持球体、平面、圆盘、四边形、三角形，以及圆柱体、圆锥体、椭球体、抛物面、双曲面、胶囊体、环面等二次曲面。
• 高级材料系统：提供金属、透明折射、漫反射、清漆、半透明及次表面散射等多种材料选项。
• BVH 加速结构：利用边界体积层次结构（BVH）极大提升了 gltf 或 glb 格式三角形模型的渲染速度，测试支持高达 80 万个三角形。
• CSG 几何运算：允许通过并集、差集和交集操作将两个形状组合成新形状。
• 自定义降噪系统：内置带有边缘检测和模糊滤镜的降噪器，能够在动态场景中显著减少蒙特卡洛路径追踪产生的噪点。
• 物理特性支持：透明物体遵循 Beer-Lambert 定律处理颜色和能量衰减；支持基于物理的渲染（PBR）材质。
演示场景分类
几何与环境演示
• 几何展示：演示基本形状的全局光照、真实反射与折射、软阴影和焦散效果。
• 海洋与天空：结合路径追踪与光线步进技术，模拟广阔的海洋和真实的物理天空及云层。
• 体积渲染：在灰尘或雾气等体积感环境中渲染物体，展示玻璃球产生的体积焦散。
• 水体渲染：实时模拟照片级水面波动，无需三角形网格，水面通过光线步进实现。
• 地形与星球：利用光线步进渲染程序生成的室外环境，甚至能模拟拥有物理大气层的完整类地行星。
BVH 加速演示
• 点光源与聚光灯：演示包含 3 万个三角形的斯坦福兔子模型，在复杂光源下实现几乎瞬间的图像收敛。
• 动态 BVH 模型：支持在实时路径追踪中对 1.5 万个三角形的模型进行平移、旋转和缩放。
• HDRI 环境：展示如何加载等距柱状投影的 HDRI 贴图作为环境光。
• 模型实例化：通过实例化技术，在浏览器中处理数以亿计甚至百亿计的多边形。
二次曲面与数学形状
• 二次曲面探索：提供 4x4 矩阵存储参数，可通过滑块实时调整生成球体、圆锥、抛物面等无数种形状。
• 新型环面实现：开发者设计了 Cheap Torus（廉价环面），通过组合双曲面和截断球体来规避传统环面在 GPU 浮点精度限制下产生的裂缝和性能开销。
经典场景还原与渲染历史
该项目致敬了多位图形学先驱，重现了渲染史上的经典图像：
• Arthur Appel (1968)：复现了最早的光线投射和阴影光线技术。
• J. Turner Whitted (1979)：展示了经典的折射球体场景。
• James T. Kajiya (1986)：展示了《渲染方程》论文中的蒙特卡洛路径追踪场景。
• Eric Veach (1997)：通过双向路径追踪解决了隐藏光源和复杂间接光照的渲染难题。
• Wikipedia 经典图示：复刻了维基百科上关于全局光照和路径追踪的三个代表性场景。
路径追踪游戏实验
项目作者还开发了多款实时路径追踪游戏，展示了该技术在游戏开发中的潜力：
• AntiGravity Pool（无重力台球）：具有实时反射、软阴影和全局光照。
• Path Traced Pong：在康奈尔盒内进行的 3D 乒乓球游戏。
• The Sentinel: 2nd Look：经典游戏的重制版，包含随机地形生成、日夜循环及动态 BVH 技术。
• Glider Ball 3D：一款飞行载具足球游戏，车辆利用物理光线投射吸附在曲面赛道内侧。
实验性与开发中功能
• 光线/物体扭曲：通过空间扭曲产生变形物体。
• 多采样模式：为高性能 GPU 用户提供每帧多像素采样的选项。
• 网格加速结构：利用高度图纹理，在移动设备上以 60 帧的速度实时追踪超过 200 万个三角形。
• 混合采样策略：改进了漫反射和清漆表面的采样方法，通过类似透明物体的微堆栈处理，在减少噪点的同时保留了软光照和颜色溢出效果。
技术背景
该项目始于 2015 年，最初是 Kevin Beason 的 smallPT 项目向 Three.js 框架的移植。开发者受 Brigade 渲染器启发，旨在创建一个能在任何设备浏览器中运行、性能卓越且效果真实的开源路径追踪器。
原文：https://erichlof.github.io/THREE.js-PathTracing-Renderer/