光線追蹤的案例
英偉達放出12年來最大招：全新圖靈架構登場，全球首批即時光線追蹤GPU同步亮相
光線追蹤技術則反過來，通過從觀者眼睛(觀景式照相機)反向追蹤光線捕捉這些效果，通過追蹤2D視表面上每個像素的光線的路徑，并應用到場景的3D模型中。
實時光線追蹤技術過去只在影視作品的CG制作中出現，一般是用幾天時間，渲染出幾幀動畫，這個動畫的陰影、金屬和水面的折射以及反射等都很逼真。
全球首批即時光線追蹤GPU——Quadro RTX
黃仁勛在SIGGRAPH 2018上同時帶來了全球首批支持即時光線追蹤的GPU——Quadro RTX系列。Quadro是英偉達的專業級顯卡，主要面向設計、特效、科學可視化等視覺計算任務。
基于圖靈架構的GPU采用了流式多處理器(SM)架構，該架構新增了與浮點數據路徑并行執行的整數執行單元，以及帶寬為早前架構兩倍的全新統一緩存架構。結合可變速率著色等全新圖形技術，圖靈流式多處理器架構實現了前所未有的單核性能水平。
新發布的Quadro RTX包括三款產品，分別是Quadro RTX 8000、Quadro RTX 6000、Quadro RTX 5000，具有16T單精度浮點性能，每秒10G GigaRays/sec(GigaRays/sec，用來描述光線追蹤性能)，每秒500T OPs深度學習，支持NVLink，每秒100GB，支持每秒500萬億張量的操作。
展開 使用光線追蹤記錄仿真天線與環境的互動
使用光線追蹤記錄仿真天線與環境的互動http://www.ansys-blog.com/visual-ray-tracing/?utm_campaign=coschedule&utm_source=facebook_page&utm_medium=ANSYS,%20Inc.&utm_content=Antenna-to-Environment%20Interaction%20Insights%20with%20Visual%20Ray%20Tracing
新「核彈」來了，英偉達發布 RTX 2000 系列消費級顯卡 | Global 24/7
NVIDIA 創始人兼 CEO 黃仁勛宣布該系列顯卡革命性的引入了光線追蹤技術，號稱自 2006 年引入 CUDA 統一著色核心以來最大的革命。新的顯卡基于英偉達最新的圖靈（Turing）架構設計，并將首次實現即時光線追蹤（Real Time Ray Tracing），光線追蹤能力比前代提升了 6 倍。
「光線追蹤就是未來」
光線追蹤技術（Ray Tracing）其實是一種算法，在現實世界中，我們所看到的一切基本上都是光線從我們視野中的物體反射出來的結果。「光線跟蹤」本質上是相反的過程，通過「跟蹤」從假想的眼睛或相機到該圖像中的對象的光路徑，再用計算機生成圖像。從而打造出更加真實的環境，實現更加逼真的畫面。
業界對于光線追蹤技術的研究早在 1979 年就已開始，在當年特納惠特發表了第一篇關于光線追蹤的論文，并用價值 100 萬美元的 VAX 計算機耗時 1.5 小時渲染最基本的光線追蹤圖像。
NVIDIA 正在其 RTX 系列中利用深度學習人工智能來解決這個問題，CEO 黃仁勛稱：「自 1990 年以來，圖形處理單元（GPU）一直在向前推進，其速度是摩爾定律的 10 倍（每兩年翻一番）。按照這個速度推算，從每秒萬億次浮點運算到每秒千萬億次浮點運算至少還需要 10 年的時間。」
「但我們不想等待那么久，所以我們發明了 NVIDIA RTX，利用深度學習人工智能和圖形芯片的底層設計，作為加速摩爾定律的最強杠桿。」
電子游戲的「圣杯」
不同于 NVIDIA 在上周的 Siggraph 上推出的首批基于 Turing 架構的工作站級 RTX Quadro 系列顯卡，GeForce RTX 2000 系列作為消費級別的顯卡，其主要應用場景多為運行大型游戲、播放視頻等。
展開 什么！？光玩《賽博朋克 2077》到底行不行？
這項技術讓游戲支持實時光線追蹤技術以及區域陰影、光照反射和環境光遮蔽等各種特效，能夠讓游戲接近電影級畫質。這讓開發者創造出接近真實世界的光線技術，使得游戲更加逼真，給玩家打造夢幻般的游戲體驗。
光線追蹤是新奇事物嗎？其實它一直都在。
光線追蹤（Ray tracing )來自于幾何光學的一項通用技術，它通過模擬光與物體或表面之間的作用，得到光線的路徑。該技術廣泛應用于計算機圖形學。
第一時期：光線投射 Ray Casting
1968年，IBM的Arthur Appel提出了一種用于光線追蹤的算法，完成了圖片渲染的雛形仿真。彼時它的名字叫做ray casting。
第二時期：光線追蹤 Ray Tracing
1979 年，Turner Whitted詳細解釋了如何捕捉光的反射、折射和散射。創造性的引入光與物體表面的交互作用，讓光線可以在空間中持續傳播。該方法也被稱為經典光線追蹤法、遞歸式光線追蹤（Recursive Ray Tracing）方法，或 Whitted-style 光線追蹤方法。
第三時期：光學渲染 Rendering
1984 年，Lucasfilm 的 Robert Cook、Thomas Porter 和 Loren Carpenter將蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）引入到光線追蹤領域，將經典算法擴展為分布式光線追蹤算法（Distributed Ray Tracing）。
1986年，加州理工學院Jim Kajiya教授進一步描述了光的散射現象。
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Altair Inspire Studio 渲染模式對比
3.光線追蹤引擎，渲染時間1min 8s。詳細參數設置如下圖記錄。
PS，調高分辨率的情況下，3200*2400分辨率，使用光線追蹤引擎，耗時6min 32s，嗯很長很長。
04.Presto引擎。另外的鏡頭場景，1min 53s，如上默認分辨率為1280*720.
測試設備2，AMD Ryzen 7 1700+ AMD RX480 筆記本
光線追蹤，用時30S？？？？？由于了開了風扇？（無降噪選項）
關閉風扇之后，反而更快了？27s！（無降噪選項）
Presto/IR 引擎引擎，4min 06S（無降噪選項）
總結，使用 Presto/IR 引擎在 GPU/CPU 上運行交互式照片級渲染，以制作具有完整漸進式核心的精美圖像，或者使用光線追蹤引擎運行更快、更高質量的渲染和演示動畫。
如果你有AMD 顯卡，推薦優先使用光線追蹤，如果你的顯卡是英偉達的GTX/RTX高端顯卡，你可以使用 Presto/IR 引擎或者光線追蹤引擎進行比對。
展開 ZEMAX | 如何創建簡單的非序列系統
它描述了如何在非序列組件編輯器中創建和編輯對象，如何在布局圖中查看系統，如何在非序列系統中創建光源、透鏡和檢測器，以及如何執行光線追蹤和分析結果。它還展示了一些創建照明應用中常用的光導管和拋物面反射器的示例。
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介紹
在非序列光線追蹤中，有許多功能在順序模式下根本不可用。這主要是由于允許非序列射線與其路徑中的任何對象相互作用，并且可以分裂成完全可追溯的子射線。在深入探討演示非序列模式功能的具體示例之前，了解 OpticStudio 非序列模式下的光線追蹤非常重要。
非序列光線追蹤
OpticStudio中有2種不同的光線追蹤模式：順序和非順序。順序模式主要用于設計成像系統，而非序列模式主要用于照明系統設計和雜散光分析。主要區別在于，在非序列模式下，用戶未嚴格按順序指定光線路徑。相反，光線以它們撞擊各種物體和表面的實際物理順序進行跟蹤，這些物體和表面可能不是按表面或對象定義的順序排列的。射線我反復擊中同一個物體，而完全錯過其他物體。射線也可以分裂成反射的、折射的或散射的子射線，并且可以同時追蹤子射線。非序列模式下的主要分析工具是檢測器查看器。它以不同的數據格式在探測器上顯示光線跡線結果，例如相干或不相干輻照度或輻射強度的空間和角度分布。用戶還可以將光線追蹤結果保存到 ZRD 文件中，并使用光線數據庫查看器或路徑分析工具進一步分析光線路徑。
設置基本系統屬性
我們將創建一個非序列系統，該系統具有燈絲源，拋物面反射器和將光耦合到矩形光管中的平凸透鏡，如下面的布局所示。
我們還將分析射線追蹤到探測器，以獲得光學系統中各個點的輻照度分布。以下是我們最終將生產的內容：
要開始使用，請按“設置”將 OpticStudio 切換到非順序模式...系統...非序列。
展開 Ansys Lumerical｜帶 1D-2D 光柵的出瞳擴展器
3.打開“光線追蹤控制”對話框并追蹤光線。
打開這個文件時，我們應該看到兩個Lumerical FDTD被打開，只要OpticStudio。這是因為該系統定義了兩個光柵。一種是帶有圓形區域的一維傾斜光柵，用于在光線中耦合。一種是帶有矩形區域的二維六邊形光柵，用于耦合光線。
在這個系統中，我們在玻璃板（波導）的表面定義了兩個光柵物體。準直光束入射到第一個耦合光柵上。在波導中進行一些TIR引導后，它將被第二個光柵耦合出來。在外耦合光柵附近，我們設置了一個檢測器來檢查出瞳（即設備的眼盒）上的光分布。
通過檢查物體 2 >物體屬性>衍射，可以看出選擇了“lumerical-sub-wavelength-2023R1.dll”來定義衍射屬性。在“文件名”的下拉列表中，可以看到選擇了lswm_1D_slant.fsp。下拉列表將顯示保存在文件夾 \Document\Zemax\DLL\Diffractive\ 中的所有 fsp 文件。
用戶需要將光柵文件放在此文件夾中，以便將其用作光柵結構。如果我們檢查對象 3，我們可以看到它選擇 lswm_2D_hex_cylinder.fsp 作為光柵結構。
在追蹤光線之前，讓我們將參數“Link Lumerical （0=No 1=Yes）”設置為 1 以打開鏈接。該參數的設計允許用戶暫時不鏈接到Lumerical，并專注于設置光柵參數。設置為 1 后，OpticStudio 將鏈接到 Lumerical，讀取指定的 .fsp 文件，并讀取參數名稱，如下所示。
現在，我們已準備好打開“光線追蹤控制”對話框來追蹤光線，如下所示。
探測器上的光線追蹤結果如下。
展開 Siemens NX何時支持GPU光線追蹤與圖形加速？
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英文原文：
【1】NX's Ray Traced Studio is not GPU accelerated on NVIDIA's RTX boards in NX version 1847 or earlier. Therefore its performance will be slow as it's only run the CPU. GPU acceleration are in NX 1872 and later.
【2】The following SFB has been issued, affecting Interactive versions of NX (does not apply to batch mode since no graphics is involved), starting in NX version 2306:
support.sw.siemens.com/en-US/product/209349590/knowledge-base/PL8719836
NX has always required accelerated graphics, which makes a graphical processing unit (GPU) essential when running NX.
Previously, if a GPU was not present, the session would still run and, depending on the commands that are used may even appear to have been a successful session
展開 Ansys Zemax | 如何創建簡單的非序列系統
光線追蹤整個系統
打開第三個檢測器查看器以查看檢測器對象 7 并重新運行光線追蹤。記得選中使用極化，然后按 Clear & Trace。探測器查看器顯示，光導管已有效去除熱點，使輻照度分布幾乎均勻。
Ansys Lumerical｜帶 1D-2D 光柵的出瞳擴展器
現在，我們已準備好打開“光線追蹤控制”對話框來追蹤光線，如下所示。
探測器上的光線追蹤結果如下。請注意，兩張圖片顯示的結果相同，但右側是用對數刻度。
請注意，這僅顯示中心場的結果，即來自圖像源上中心像素的光。我們將“傾斜約 X”和“傾斜約 Y”設置為 5 度，以便檢查不同入射光束的結果。
可以看出眼盒處的光分布發生了變化。很明顯，對于圖像源上的不同像素，我們在出瞳上的光分布也不同。通常，設計目標是在整個視場（圖像源上的所有像素）的出瞳上均勻分布。
第 3 步：圖像模擬
在OpticStudio中打開epe2d_2dgrating_image_simulation.zar，觀察它是如何定義的。
將參數“Link Lumerical （0=No 1=Yes）”設置為 1。
打開“光線追蹤控制”對話框并追蹤光線。
在此文件中，添加了多個對象以進行圖像模擬。我們用一個圖像源替換了準直光，該圖像源包括 3 個對象、源 DLL （Lambertian_Overfill.dll）、幻燈片和近軸透鏡。近軸透鏡放置在第一個耦合光柵的正前方。它將在其焦平面上將圖像投射到無限遠。源 DLL 和幻燈片都位于焦平面上，但略有偏差，因此這兩個對象不會完全重疊。源 DLL 使用Lambertian_Overfill.dll，其大小與第一個耦合光柵處的幻燈片和目標瞳孔相匹配。幻燈片只是一個用于測試圖像質量的二維碼。
在波導的輸出端，構建了一個簡單的攝像系統來模擬人眼接收到的圖像。
展開 Ansys Lumerical｜大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
此.h5文件在下載包中包含的 Zemax 插件中使用，將大鏡頭集成到光線追蹤系統中。
接下來在OpticStudio的操作中。首先要將3個需要的.dll檔案放到指定的安裝目錄。接下來在OpticStudio中打開案例的檔案。超表面被設定在“user defined surface”對象上，搭配lumerical-metalens-XXXX.dll(其中XXXX與版本相關)。通過在注釋列中插入生成的 .h5 文件的名稱（包括擴展名）來讀取數據。加載數據可能需要幾分鐘的時間。
光線追蹤的集成邏輯是在光線撞擊超透鏡的空間位置處附近的相位值進行插值，以確定局部相位梯度。m階光線的輸出方向計算如下：
其中(Xi,Yi,Zi)分別是入射與出射光線的單位矢量，n1與n2是入射與出射的環境折射率，λ是波長，m是衍射級次，P(x,y)是局部相位(以弧度為單位), 注意z假設為表面的法向矢量。
點列圖顯示聚焦效果并不好，即便使用了理想透鏡相位來設計超透鏡。造成此結果其中一個原因是微納單元的納米柱半徑值是有限的采樣，其引起的相位變化量是離散的，造成超透鏡組成的相位與理想透鏡相位有偏差。另一個原因是微納單元目前是整齊的二維網格排列，在點列圖上造成水平與垂直方向的十字圖案。
OpticStudio 的表面參數中提供兩種根據相位梯度插值方法來計算光線彎曲，值 1 要求雙線性插值，而值 3 對應雙三次插值。雙三次插值可能更準確一些，而雙線性方法預計對相位跳躍更穩健一些。
確保系統的波長與用于生成數據庫的波長匹配非常重要，角度范圍應與生成數據庫時 RCWA 掃描中使用的角度范圍相匹配，以確保獲得最準確的結果。
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Lumerical 大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
此.h5文件在下載包中包含的 Zemax 插件中使用，將大鏡頭集成到光線追蹤系統中。
接下來在OpticStudio的操作中。首先要將3個需要的.dll檔案放到指定的安裝目錄。接下來在OpticStudio中打開案例的檔案。超表面被設定在“user defined surface”對象上，搭配lumerical-metalens-XXXX.dll(其中XXXX與版本相關)。通過在注釋列中插入生成的 .h5 文件的名稱（包括擴展名）來讀取數據。加載數據可能需要幾分鐘的時間。
光線追蹤的集成邏輯是在光線撞擊超透鏡的空間位置處附近的相位值進行插值，以確定局部相位梯度。m階光線的輸出方向計算如下：
其中(Xi,Yi,Zi)分別是入射與出射光線的單位矢量，n1與n2是入射與出射的環境折射率，λ是波長，m是衍射級次，P(x,y)是局部相位(以弧度為單位), 注意z假設為表面的法向矢量。
點列圖顯示聚焦效果并不好，即便使用了理想透鏡相位來設計超透鏡。造成此結果其中一個原因是微納單元的納米柱半徑值是有限的采樣，其引起的相位變化量是離散的，造成超透鏡組成的相位與理想透鏡相位有偏差。另一個原因是微納單元目前是整齊的二維網格排列，在點列圖上造成水平與垂直方向的十字圖案。
OpticStudio 的表面參數中提供兩種根據相位梯度插值方法來計算光線彎曲，值 1 要求雙線性插值，而值 3 對應雙三次插值。雙三次插值可能更準確一些，而雙線性方法預計對相位跳躍更穩健一些。
確保系統的波長與用于生成數據庫的波長匹配非常重要，角度范圍應與生成數據庫時 RCWA 掃描中使用的角度范圍相匹配，以確保獲得最準確的結果。
展開 FRED應用說明：照明顯示
FRED軟件可以很容易地創建凹槽和曲線，然后擠壓或旋轉這些結構來使菲涅爾和棱鏡能按照所期望的方向傳播光線。
利用視覺和分析工具信息深入研究光是怎樣實現背光傳輸的。根據用戶所選的每一個波長，該軟件可以從任何顏色開始進行光線追蹤，并且可以很容易地創建正交和透視輪廓使得能夠看見光是怎樣通過系統又是怎樣離開表面的，如上所示。還有更多的功能包括根據光是怎樣與表面相交的來改變光線的顏色。可以根據相交后光的反射、透射、吸收或是衍射來設置光的顏色。
也有高級光線操作對話框來選擇光線使其按照一個特定的光路傳播，或者設定特定的功率或者光線在一個選定的面上停止。用這些對話框可以可視化或分析非均勻照明的問題，還有鬼影和雜散光的問題。您也可以使光在光學或照明系統中的每個階段進行傳播。這是一個很好的方式來了解光是如何傳播的及為什么光不能完全離開照明系統或它為什么會在它不應該出現的方向上有光。
在建模和模擬光在背光傳播時最大問題是設計多少根光線可以得到可以接受的結果，以及什么時候停止光線可以加速光線追蹤。FRED提供了更多的控制來限制光線追跡數目來減少光線追蹤的時間，包括相交數量、一個面或多個面的相交數、相對和絕對的功率閾值、每個面和每個實體的透射、反射和散射的可能性。就像您在下面的對話框所看到的那樣，可以設定鏡像和散射功率閾值、光線交在一個表面的次數以及父級光源產生的子級光線數上限制。這樣，用戶就可以完全控制來執行分析，你只需要關閉特定的事件來就可以看到問題是否出在鏡像上或散射上。
4.顯示實例
導光管
FRED可以設計各種形狀和大小的導光管，使光從一個或多個光源傳送到一個或幾個目標。大多數導光管是由塑料制成的，由于成型的問題有漏光現象。FRED針對這些光學器件的可視化能力非常優秀。
展開 Ansys Zemax | 用戶自定義表面真實建模衍射式人工晶狀體透鏡
Case 4 考慮近軸光線追蹤結果，但由于區域分解方法需要在光線追跡之上進行衍射分析，該方法僅適用于實際光線追蹤，因此我們忽略了這一步。這意味著在近軸近似中，我們的模型表現為標準曲面。最后，Case 5，計算實際光線追跡結果。為此，我們實現了兩個解決方案，一種近似解析算法和一種迭代算法，這將在下面將討論。
光線傳播算法
在復雜表面形狀的情況下，無法通過分析，確定光線-表面相交坐標，因此對于標準表面以外的內置表面類型，OpticStudio 應用迭代算法來查找數值解。這也可以是用戶自定義DLL 的一種方法。然而，由于迭代方法的計算效率低于直接計算，除了通常應用的迭代解決方案外，我們還實現了基于局部線性化的近似閉合解解決方案[1，5]。
在后一種替代算法中，我們分別處理基板的矢高和額外的浮雕高度。首先，我們確定與基板準確的光線相交坐標（x0, y0,z0），這可以通過分析來完成，因為基板具有標準表面形狀。然后，作為下一步，我們根據局部浮雕高度（Δz=zDOE(x0,y0)）和給定位置的斜率（x0, y0, z0+Δz)來估計光線浮雕交點。與切平面的估計交點（x，y，z）可以通過求解線性方程再次解析計算。這種直接近似計算可以比默認迭代方法快 30%，而且不會在結果中引起任何重大錯誤。該過程如下圖所示。
在眼睛模型中模擬人工晶狀體性能
雙焦點人工晶狀體設計
為了證明新的衍射表面DLL的適用性和優勢，我們基于文獻[1]實現了一個理想的衍射透鏡模型，該模型在設計波長處將光均勻地分布到零階和第一衍射階。（雖然這兩個階的功率相等，但施加的衍射面也會將一小部分功率發送到更高階。）
展開 如何在Zemax OpticStudio用戶自定義表面真實建模衍射式人工晶狀體透鏡
這些方案表示常規信息、參數名稱和安全數據傳輸，以及布局圖、近軸和實際光線追蹤計算。不同的功能是在DLL的不同情況下定義的。
在這個模型中，我們應用了一個簡單的旋轉對稱衍射結構，具有統一的浮雕臺階高度，添加在代表基底面的標準表面之上。為了能夠與內置的OpticStudio解決方案進行模擬比較，我們用偶數非球面多項式描述了浮雕形狀。因此，表面矢高由以下公式給出：
在上式中，mod表示取模運算，c是曲率，即半徑的倒數，k是圓錐常數，r是徑向坐標，h是統一的浮雕臺階高度。
ai為偶次非球面系數、h為步高。首先在DLL的Case 1中定義傳播算法，參數列標題名稱。然后，Case 3描述基于上述公式的表面矢高，以便在布局圖中繪制。Case 4 考慮近軸光線追蹤結果，但由于區域分解方法需要在光線追跡之上進行衍射分析，該方法僅適用于實際光線追蹤，因此我們忽略了這一步。這意味著在近軸近似中，我們的模型表現為標準曲面。最后，Case 5，計算實際光線追跡結果。為此，我們實現了兩個解決方案，一種近似解析算法和一種迭代算法，這將在下面將討論。
光線傳播算法
在復雜表面形狀的情況下，無法通過分析，確定光線-表面相交坐標，因此對于標準表面以外的內置表面類型，OpticStudio 應用迭代算法來查找數值解。這也可以是用戶自定義DLL 的一種方法。然而，由于迭代方法的計算效率低于直接計算，除了通常應用的迭代解決方案外，我們還實現了基于局部線性化的近似閉合解解決方案[1，5]。
在后一種替代算法中，我們分別處理基板的矢高和額外的浮雕高度。首先，我們確定與基板準確的光線相交坐標（x0, y0,z0），這可以通過分析來完成，因為基板具有標準表面形狀。
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