圖 1.1：各種不同方法的環境反射成像圖
由左至右分別為光柵化、One Pass Ray Tracing Rendering Algorithm、Hybrid Ray Tracing Rendering Algorithm 以及用 3Ds Max2013 所產生的環境反射成像圖。
第一章 簡介
1.1 研究背景
在計算機圖學發展中，從前人的腳步，我們可以歸納出兩個主要發展方向：
前者如動畫以及設計產業，致力於探討如何模擬出幾可亂真的畫面，舉凡如近期 上映的變形金剛 4 或者室內設計的模擬圖或者珠寶設計示意圖等，透過電腦的複 雜向量運算，可以模擬出複雜光線的效果，這領域主要局限於過高的計算成本，
通常一個畫面需要數分鐘、數小時的計算時間；後者以遊戲產業為主，將重心放 在如何快速畫出一個近似畫面，藉由硬體的加速，每秒可以達到 60 張以上畫面 以上的速度，這些畫面雖然沒有前者那麼精細，可是隨著現今中央處理器（Central Processing Unit，後簡稱 CPU）以及繪圖處理器（Graphic Processing Unit，後簡稱 GPU）的計算能力越來越強大，已經可以模擬出一定程度的畫面，現階段著名遊 戲引擎有常見的 Unity 3D 引擎、Cry 引擎以及 Unreal 引擎，這些引擎目前也透過 一些 Pre-Computed Texture 的方式，模擬出更高品質的畫面。
隨著現今硬體的發展越來越快速，我們相信追求快速產生高度模擬畫面的即 時全域照明（Real-time Global Illumination）勢必是未來必須討論的重要議題。
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1.2 研究目的
對於互動性與即時性的繪圖能力，我們第一個反應一定是遊戲產業中常用的 Shader 語言，現階段電腦遊戲中，舉凡如末日之戰（Crysis）系列、看門狗（Watch Dogs）等，都能即時呈現非常真實的光影效果，甚至現在也可以在移動裝置上高 度模擬的光影等效果如無盡之劍（Infinity Blade）這系列遊戲，。由這些作品我 們可以發現傳統的繪圖應用程式介面（API），如 OpenGL、DirectX 等，已經無法 滿足開發者的需求，現階段在 Shader 上所做的一些效果模擬，如 Relief Mapping 為例，已經可以看到光影追蹤（Ray Tracing）的影子，這種技術過去只會出現在 動畫產業上，而為了使畫面品質更加逼真，已經有許多移植過來的跡象。然而卻 沒有人願意完全使用這種技術，我們探究原因，主要有兩大限制，促使開發者不 願意去嘗試。首先是最主要的原因，計算成本過高，非常難以即時互動；其次，
即使可以使用類似 GPGPU 語言來做平行加速的方法，目前已經可以做到不錯效 益，但是因為開發環境沒有傳統 Shader 來的成熟，所以許多開發者也不願意再多 學新的語言來使用。
這篇論文想要以反向思考方式，我們知道 Shader 在 Fragment Shader 的階段，
利用 GPU 來平行處理像素的顏色計算，而光線追蹤本身就是個非常適合平行處 理的演算法，我們何嘗不想辦法將這項技術移植在 Shader 之上。這次，我們想要 探討兩點：第一，在 Shader 架構下，是否有方法移植成功，對於硬體的支援度、
成像（Render）速度以及畫面的品質會有什麼影響。本篇論文將用最基本的 Whitted Ray Tracer 作為移植模型；第二，我們會與傳統 Shader 的光柵化（Rasterization）
做速度以及畫面的比較，從中找出兩者之間的差距，歸納出一份分析報告。
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1.3 論文架構
本篇論文一共分為六個章節：第一章為簡介，說明本篇論文的研究背景以及 目的。第二章為文獻探討，主要針對所要移植的光線追蹤演算法做概論以及分析 過去在 Shader 上實行光線追蹤的研究，並且將所要實行的環境反射分別探討光柵 化以及光線追蹤實行的方法。第三章為 Shader 架構的討論，首先簡介 Shader 運 作的管線流程（pipelines），以及實行演算法的管線使用討論，再針對後續實驗所 需要用到的硬體名詞做解釋以及探討使用這些硬體名詞對於本篇論文的意義為 何，最後介紹我們所選用版本的 Shader，並且說明與過去版本的差異。第四章為 演算法設計與討論，首先會介紹，我們由 Purcell 所提出的架構，衍生出我們的第 一版 One Pass Rendering Algorithm，其次再提出我們結合 Shader 運作模式所發展 出的 Hybrid Rendering Algorithm。第五章，為我們實驗的設計與結果的討論，我 們將針對不同的效果以及場景，分別針對我們的兩個方法以及傳統 Shader 的光柵 化方法做效能以及畫面品質的評估，除了所測得的數據之外，我們亦會從硬體資 訊做一個理論的計算，綜合評估其結果合理性。最後一章，為結論與未來展望，
說明主要貢獻以及由目前的成果歸納出未來在 GPU 上實行光線追蹤技術的方 向。
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