第6章 路径追踪与全局光照：机器合体
第 6 章 · 路径追踪与全局光照
章节摘要：五个章节的零件——求交、加速结构、材质、渲染方程、追踪范式——本章正式总装。6.1 是全册的主线实验高潮：把迷你路径追踪器从第一版裸写循环，到接入直接光采样与重要性采样，再到看着噪声随样本数按预期退场，全程复盘每一步迭代改了什么、为什么改；6.2 请出路径追踪的死对头兼互补者光子映射，两阶段算法专治路径追踪最头疼的焦散与间接镜面链路，渐进式变体则把它的偏差驯服到可接受；6.3 盘点混合与近似家族——辐照度缓存、即时辐射度、双向与顶点连接——你会发现所有全局光照算法都是在"渲染方程的哪个项上赌哪种统计效率"。读完本章，你将拥有一台能收敛的渲染器，以及一张知道"什么时候它该让位"的族谱图。
学习目标
完成本章后，你应当能够：
- 写出迭代式路径追踪主循环（含俄罗斯轮盘赌终止），并说明它与 Whitted 递归的三个结构差异；
- 解释直接光采样（下一事件估计）为什么能成倍压噪，以及多重重要性采样如何给它与 BSDF 采样分账；
- 读懂自己渲染器的收敛曲线：噪声幅度随样本数按平方根规律衰减，并据此估算"再要干净一倍要几倍时间"；
- 诊断萤火虫（firefly）噪声的来源——高贡献路径的低概率采样——并给出钳制、重采样两类对策；
- 描述光子映射两阶段流程与核密度估计的偏差来源，说出渐进光子映射靠什么收敛到无偏；
- 为一个具体场景配算法：静态建筑用哪套、焦散特写用哪套、实时交互又用哪套。
核心概念速览
金句先行：路径追踪不比谁聪明，比谁能等——它用蛮荒的随机换无偏的收敛；光子映射则承认等不起，用一点点偏差换关键的效率。
子章节导航
6.1 路径追踪：迷你渲染器从零到收敛——主线实验的总装与试车。迭代式主循环替换递归，材质采样接管方向选择，俄罗斯轮盘赌接管终止；随后是两级性能跃升：直接光采样消灭"概率性丢灯"的大噪声，MIS 消除高光区域的重复计账。最后以四个样本档位（1、16、256、4096）的收敛实录收尾，你将亲眼看到方差定律如何在画面上兑现。
6.2 光子映射与渐进光子映射——从光源出发的另一半地图。两阶段流程：先撒光子建辐射缓存，再沿视线收集局部密度。它独占的领地是"光源侧窄路"——玻璃焦散、水面波光、间接镜面链——路径追踪在这里要么噪声永不收敛要么寸步难行。核密度估计的偏差来源与渐进式的半径收缩策略，是本节的技术主轴。
6.3 混合与近似：族谱的其余分支——介乎两者之间与之外的算法们。辐照度缓存把低频间接光存成可插值的点；即时辐射度把间接光折算成一圈虚拟点光源；双向路径追踪与顶点连接把 6.1 与 6.2 的强项焊在一起。本节同时为第 7 章铺路：实时管线里的"烘焙、探针、混合"，全部是这一族近似在帧预算下的再妥协。
子章节之间的逻辑关系
三节是"主力、互补、谱系"的结构：6.1 建立默认主力并给出收敛判据，6.2 补上主力的结构性盲区，6.3 把两极之间的整片中间地带铺开。三节的算法都在解 2.2 的同一道方程，差别只在赌哪段光路统计效率高——路径追踪赌眼睛侧、光子映射赌光源侧、双向方法两头都赌再按贡献分账。理解"赌哪头"，比记住任何算法步骤都重要。
6.1 路径追踪 6.2 光子映射 6.3 混合近似 ┌────────────┐ ┌────────────┐ ┌────────────┐ │ 主循环总装 │ 盲区 │ 两阶段流程 │ 中间带 │ 缓存与探针 │ │ 直接光采样 │ ───→ │ 核密度估计 │ ───→ │ 虚拟光源 │ │ 收敛判据 │ │ 渐进收缩 │ │ 双向与VCM │ └────────────┘ └────────────┘ └─────┬──────┘ ▼ 第 7 章 实时预算：把族谱砍到一帧能跑
前置知识与后续延伸
本章没有新数学：蒙特卡洛估计量在 2.2 已推，材质采样 PDF 的说法在 5.1 已埋，剩下的是把它们焊进代码。建议边读边跑：6.1 的主循环不足百行，装上第 3、4 章的求交与 BVH、第 5 章的材质评估即可开跑。
往后的挂靠点：第 7 章实时全局光照的每个方案（探针、缓存、混合）都能在 6.3 找到血统；第 8 章硬件光追跑的射线最终都喂给 6.1 型的积分器；第 10 章影视工业的"路径追踪为主、专门求解器补焦散"格局，正是本章族谱在生产线的排班表。