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Pathtracer

在 Web 中实现真实光照渲染：深入解析 three-gpu-pathtracer

随着 WebGL 与 Three.js 的广泛应用，浏览器中的 3D 渲染效果日益逼真。但传统基于光栅化的渲染方式在处理全局光照、柔和阴影、玻璃/金属等复杂材质时，仍存在很大局限。要实现近似离线渲染质量的效果，开发者往往需要通过大量“伪”技巧和后处理手段来弥补。

而 three-gpu-pathtracer (opens in a new tab) 正是为了解决这一痛点而诞生：它是一个基于 Three.js，利用 WebGL2 实现的实时 GPU 路径追踪渲染器，可在浏览器中呈现电影级物理真实感图像。

一、痛点

1. 光栅化的局限

传统 Three.js 渲染基于光栅化，虽然高效，但存在如下问题：

  • 光线行为无法真实模拟（如多次反射、折射）

  • 阴影多为硬边或简化的贴图阴影

  • 需要人工模拟 AO、全局光照、镜面反射等

  • 真实材质表现（如 GGX 金属度/粗糙度）受限

这导致开发者在需要逼真画面时不得不使用大量贴图、环境光探针、模糊反射、后期处理等技术折中，维护成本高且效果有限。

2. Web 中缺乏成熟路径追踪实现

尽管桌面端已广泛使用路径追踪（如 Blender Cycles、RTX Path Tracing），但 Web 端受限于 WebGL/WebGPU 的性能与 API 设计，始终缺乏一个“能用”的、模块化的 GPU 路径追踪渲染器。

二、three-gpu-pathtracer 如何解决这些问题？

路径追踪核心能力

  • 全局光照（GI）：自动模拟光线反弹，表现间接光、色彩泄露、漫反射

  • 真实材质支持：Metal/Roughness、透明材质、GGX 高光、法线贴图、发光材质

  • 体积效果：雾效、透明材质、光散射等

  • 真实反射与折射：玻璃、水面等无需环境贴图

  • 软阴影：阴影边缘自然柔和，不再依赖阴影贴图

性能优化

  • 基于 three-mesh-bvh 构建 BVH 加速结构，提升光线-几何交互效率

  • BVH 数据通过纹理传输到 GPU，避免 CPU-GPU 频繁同步

  • 支持分块渲染（Tiled Rendering）与动态预览（低分辨率预渲染）

  • 使用 Stratified + Blue Noise 采样技术，加快收敛、提升图像质量

三、如何使用 

下面是一个从零开始使用 three-gpu-pathtracer 的基本流程，适合新手参考：

1. 安装依赖

使用 npm 安装：

npm install three three-gpu-pathtracer

2. 创建基本场景

import * as THREE from 'three';
import { WebGLPathTracer, PhysicalPathTracingMaterial, PathTracingSceneGenerator } from 'three-gpu-pathtracer';
 
const renderer = new THREE.WebGLRenderer();
document.body.appendChild(renderer.domElement);
 
const camera = new THREE.PerspectiveCamera(60, window.innerWidth / window.innerHeight, 0.1, 100);
camera.position.set(0, 1, 3);
 
const scene = new THREE.Scene();
scene.background = new THREE.Color(0, 0, 0);
 
// 添加基础物体
const geometry = new THREE.SphereGeometry(1, 64, 64);
const material = new THREE.MeshPhysicalMaterial({ color: 0x0077ff, roughness: 0.2, metalness: 1.0 });
const mesh = new THREE.Mesh(geometry, material);
scene.add(mesh);
 
// 构建 BVH 加速结构
const generator = new PathTracingSceneGenerator();
const { bvh, materials, textures } = generator.generate(scene);
 
// 创建路径追踪器
const tracer = new WebGLPathTracer(renderer);
tracer.material = new PhysicalPathTracingMaterial();
tracer.setScene(bvh, materials, textures);
tracer.setCamera(camera);
 
// 动画循环
function animate() {
  requestAnimationFrame(animate);
  tracer.renderSample();
}
 
animate();

3. 可选优化

  • 设置采样次数：tracer.bounces = 5

  • 设置渲染块大小：tracer.tiles.set(2, 2)

  • 添加环境光贴图：可使用 scene.environment = hdrTexture 提升全局照明效果

四、案例演示

材质表现

自动模拟光反射与漫反射，表现出真实的粗糙度变化与反射模糊

反射/折射

支持任意方向、材质的反射与折射，玻璃、水晶等材质真实可见

阴影与光照

自然软阴影、全局间接光、环境光真实衰减

五、适用场景与落地价值

应用领域应用价值
产品/建筑可视化高保真 Web 端展示，提升视觉冲击力
在线材质预览快速切换不同材质配置并实时预览光照影响
教育/科研讲解路径追踪原理、采样策略、光传播机制
渲染烘焙辅助利用路径追踪结果生成 AO、Lightmap

六、总结

three-gpu-pathtracer 不仅填补了 WebGL 路径追踪的空白，更以成熟、可控、高性能的方式带来了近似离线渲染质量的浏览器端视觉体验。其模块化设计与 Three.js 的紧密集成，让开发者可以无缝切换渲染模式，在真实感与交互性之间找到平衡。

对于追求画质、真实物理光照效果的 Web 项目，它无疑是值得尝试的新一代核心渲染方案。

如果你希望在浏览器中实现光线反射、真实阴影、复杂材质交互，不妨试试 three-gpu-pathtracer。

项目地址：https://github.com/gkjohnson/three-gpu-pathtracer (opens in a new tab)

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