1.2 射线家族与核心术语速查

1.2 射线家族与核心术语速查

上一节的历史里，"递归""阴影射线""求交"这些词反复出现却从未被正式定义——本节就是实验室的术语校准台。全册后续所有伪码、所有管线图都建立在这一节的四组概念上：射线的数学定义、按意图划分的射线家族、命中记录的三个要素、以及求交接口的三种返回方式。读完本节，你应当能读懂任何一份光追伪码而不卡壳。

一条射线到底是什么

数学上，一条射线是两个向量加两个标量：起点 origin、单位方向 direction、有效区间 tmin 与 tmax。空间中任意一点写作 origin 加 direction 乘 t，其中 t 是沿方向的距离参数。这个参数化是整个学科最常用的 trick：求交计算的产出就是"最近的有效 t"，命中点、命中点到光源的距离、命中点到相机的深度，全部由同一个 t 表达。

工程上，射线从来不是裸的四个数，而是一个携带"意图标签"的结构体。方向必须归一化，否则 t 的物理含义（距离）就会失真；tmin 通常取一个很小的正数而不是零，这是为了躲开"自交"——命中点正好落在上一条射线的几何表面上，从零起步会立刻撞见自己，产生芝麻大的黑点，业界俗称 shadow acne。这些细节本节先立规矩，第 3 章会逐条兑现成代码。

struct Ray {
    vec3 origin;      // 起点
    vec3 dir;         // 方向，必须归一化
    float tmin;       // 有效起点，典型取 1e-3，防自交
    float tmax;       // 有效终点，如 1e30 表示无限远
    int   kind;       // 意图标签：primary / shadow / reflection / ...
};

struct HitRecord {
    float t;          // 命中距离，最近的有效 t
    vec3  pos;        // 命中点 origin 加 dir 乘 t
    vec3  normal;     // 几何法线，着色前要先翻向视线一侧
    vec2  uv;         // 纹理坐标，插值自三角形顶点
    int   mat_id;     // 材质索引，决定命中后派生什么射线
};
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射线家族：每条射线都是一次定向提问

把射线按意图分类，是理解一切光追系统的最快路径。同一发"几何探测"在不同意图下，求交的精度要求、返回时机、后续处理完全不同。

**主光线（primary ray）**从相机出发穿过像素，提问"这个像素最先看见什么"。它决定了画面的几何骨架，数量恰好等于采样数乘像素数，是全场景数量最多、方向最相干（coherent）的一批射线——相邻像素的主光线方向接近，这个性质在第 9 章的并行优化里会被反复利用。

**阴影射线（shadow ray）**从命中点射向光源，提问"光源看得见我吗"。它只需要一个布尔答案：任何距离小于"命中点到光源"的命中都意味着遮挡，立刻返回。省略一切着色信息，让阴影射线成为最便宜、也最先被搬进实时管线的光追应用——第 7 章你会看到，2018 年第一批实时光追游戏几乎全用它做硬阴影。

反射射线与折射射线回答"镜面/玻璃后面是什么"。反射方向用入射方向与法线的镜像公式一步算出；折射方向按斯涅尔定律弯折，且要区分从外向内和从内向外两种情形。它们是 Whitted 递归的发动机，在路径追踪里则退化为材质采样的一种可能结果。

**遮挡与环境光遮蔽射线（occlusion ray）**在半球内随机取短距离方向，提问"这附近挤不挤"。它不求最近命中，只统计遮挡比例，用来近似环境光衰减——比完整路径追踪便宜几个量级，是离线烘焙和实时管线的常客。

图：一条主光线的生命周期与派生射线家族

求交接口的三种返回方式

同一条几何射线，按意图不同要问求交器不同的问题，这催生了三种接口约定，第 8 章讲 DXR 与 Vulkan 光追接口时会原样重逢。

closest_hit(ray)   -> HitRecord     # 最近命中：主光线、反射折射用
                                  # 需要完整遍历加速结构，成本最高
any_hit(ray)       -> bool          # 任一命中即返回：阴影、遮挡用
                                  # 找到一个就提前退出，成本最低
miss(ray)          -> bool          # 逃逸测试：命中数为零时的出口
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closest-hit 必须扫完整棵加速树才能保证"最近"；any-hit 一旦撞上任何东西就能收工。这个成本差是实时光追预算分配的第一原则：能降级成 any-hit 的问题，绝不喂给 closest-hit。还有一个容易被忽略的点：透明体的阴影不能用 any-hit 的"撞见即返回"直接判死——玻璃挡住的光并没有全被吃掉，正确做法是命中后衰减能量继续走，这也是实时管线里"透明体阴影"至今仍是难点的原因。

拆一个完整的小实验：五类射线在同一帧里

把术语落到一个可复现的小实验上。场景：一面镜子挂在红墙前，墙角放一盏点光源。渲染镜面上一个像素的完整流程如下。第一步，主光线从相机穿像素出发，closest-hit 返回命中记录：命中镜子，法线朝外，材质索引指向"理想镜面"。第二步，按镜面材质派生反射射线，方向为入射方向对法线镜像；这条射线 closest-hit 命中红墙，返回墙面命中记录。第三步，在红墙命中点上，对场景里那盏点光源发射阴影射线——any-hit 返回未被遮挡，于是红色漫反射的直接光照成立。第四步，把红墙返回的能量乘以镜面反射率，加到最初那个像素上。结果：镜子里映出一块被点光源照亮的红墙。变式一：把光源挪到镜子背后，阴影射线会返回遮挡，红墙只剩环境项，镜中影像明显变暗——你会亲眼看到"阴影是几何关系，不归镜子管"。变式二：把镜子换成磨砂材质，理想反射变成按粗糙度采样的随机方向，单次采样噪声四起，这正是第 6 章路径追踪要接手的局面。

这个实验值得亲手做：五十行代码以内就能复现，做完之后回头看本节的结构体定义，每一个字段都有了具体的脸色和脾气。

把定义钉进代码：三个工程细节

定义看着平淡，工程化时最容易在三个细节上翻车。其一，方向向量的归一化不是洁癖而是记账需要：命中距离 t 的物理意义是"沿方向走的长度"，只有方向是单位向量，t 才能直接参与"衰减与距离平方成反比"这类物理公式；忘记归一化的渲染器最典型的症状是"灯离得越远反而越亮"。其二，tmax 不是摆设：给主光线设一个远平面就能把天光排除在求交之外；给阴影射线把 tmax 设成"到光源的距离"，光源后方的误命中天然被截断。这些省下来的遍历开销在实时管线里是实打实的毫秒。其三，epsilon 与场景尺度必须绑定：同样取千分之一这个数，在以毫米为单位的珠宝模型里是一道深渊，在以公里为单位的地形里是一层灰尘。稳妥做法是让 tmin 随命中距离与包围盒尺度自适应缩放，而不是全局拍一个常数了事。

顺手做一个一分钟的口算实验：射线从原点指向正前方，一颗半径半米的球悬在两米外，球心恰好在射线上。直觉会喊"命中点就是球心，两米处"，可下一章的一元二次方程一解，近端命中其实在一米五——球面比球心早半米接住射线。这半米之差正是阴影偏移、折射起点这类工程量真正要的精度：靠直觉估会差出一个半径，靠方程才有可靠的 t。口算暴露直觉的粗糙，方程给出可依赖的数字，这个次序在全册会反复出现。

本节要点回顾

• 射线 = 起点 + 单位方向 + 有效区间 + 意图标签；tmin 取小正数防自交是必须养成的习惯。
• 命中记录三要素：距离 t、法线、材质索引；法线着色前要先翻向视线一侧。
• 五类射线五种提问：主光线问可见性、阴影射线问遮挡、反射折射问镜面世界、遮蔽射线问拥挤程度。
• closest-hit 与 any-hit 的成本差是实时预算分配的第一杠杆，能布尔的不求最近。
• 透明阴影是 any-hit 直觉失效的经典反例，需要衰减透射而非二值判定。

术语台校准完毕。不过到目前为止，"颜色"对我们仍是一个含糊的日常词——它到底是什么物理量、按什么规律在表面上分配？下一节请出对比的另一位主角光栅化，把两条路线放上台面对质。