GPU加速Whitted风格光线追踪教程

本篇论文是关于GPU光线追踪技术的教学资料，由瑞士应用科学大学（FHBB）的马丁·克里斯滕（Martin Christen）撰写，作为其毕业论文DA070405。论文标题为"GPU上的光线追踪"，主要探讨如何在当前消费级GPU上实现Whitted风格（经典）递归光线追踪算法，利用OpenGL Shading Language (GLSL) 和 Direct3D High Level Shading Language (HLSL) 进行编程。 光线追踪是一种渲染技术，通过模拟光线的行为来生成逼真的图像。它能够在计算机游戏中实现特定的视觉效果，如真实感的阴影、反射和折射。论文首先简要介绍了光线追踪的基本概念，包括其工作原理以及与传统三角形基于实时渲染的区别。 为了提高光线追踪的性能，作者提出了两种加速方法。一是使用空间数据结构，如kd树或BSP树，这些数据结构能够有效地组织和查询场景中的几何对象，从而减少不必要的光线-物体测试，提高效率。二是消除递归，传统的递归实现可能导致栈溢出问题，通过迭代或者并行化处理，可以减少内存消耗，提升计算速度。 接下来，论文着重讲解了GPU编程，特别是针对可编程图形处理器的编程模型。GPU编程要求开发者理解并利用其并行计算能力，通过抽象化的流式编程模式（Stream Programming）将复杂的光线追踪算法分解为一系列并行执行的任务。这包括编写C++代码来控制GPU的工作流程，以及如何将传统的CPU计算任务迁移到GPU上，以充分利用GPU的数千乃至数十万个核心。 由于现代GPU的性能已经接近甚至超越了高性能CPU在光线追踪方面的表现，论文认为结合实时三角形渲染，GPU上的光线追踪算法已经可以在今天的计算机游戏中用于实现特殊效果，比如高级光影效果和沉浸式体验。 这篇论文提供了一个实用的指南，展示了如何将经典光线追踪技术应用于GPU，使之成为游戏开发中的有力工具，同时讨论了如何优化性能和编程策略，使得GPU成为现代图形渲染不可或缺的一部分。