香港大学等提出HoloPathTracer，将路径追踪直接用于计算全息生成

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有望为下一代高保真全息显示提供新的技术方向

（映维网Nweon 2026年07月16日）计算全息（Computer Generated Holography，CGH）近年来发展迅速，但如何在全息显示中真实还原镜面反射、透明折射以及连续离焦等复杂视觉效果，依然是行业关注的方向之一。

传统CGH方法通常会先将三维场景渲染成RGBD、焦点堆栈或光场等中间表示，再结合波传播模型生成全息图。这种流程虽然计算效率较高，但由于图像渲染与波传播是两个相互独立的过程，当场景包含镜面、高光、玻璃等复杂材质时，中间表示往往无法完整保留光传播过程中的相位和方向信息，因此容易影响最终重建效果。

针对这一问题，香港大学联合清华大学、斯坦福大学和首尔国立大学提出了一种名为HoloPathTracer的新框架，希望将计算机图形学中的路径追踪（Path Tracing）与波光学传播统一起来，直接生成用于全息显示的复值波场。相关成果发表于SIGGRAPH 2026会刊《ACM Transactions on Graphics》。

◐ 不再“先渲染图像，再计算全息”

路径追踪已经是现代图形学最成熟的渲染技术之一。从电影特效到游戏引擎，它能够较为真实地模拟光线在场景中的传播过程，包括多次反射、折射以及全局光照等效果。

不过，对于计算全息而言，仅有光线传播还不够。

原因在于，全息显示需要恢复的是完整波前，而不仅仅是亮度信息。除了光强，每一束光对应的传播距离还决定了相位，而相位正是全息重建的关键。

HoloPathTracer的思路，就是让路径追踪不仅计算辐射亮度，同时记录每条光路的传播距离，并据此恢复对应的相位信息。这样，最终得到的不再是一张普通图像，而是能够直接用于生成相位全息图的复值波场。

换句话说，相比传统CGH”先得到图像，再进行波传播”的流程，HoloPathTracer尝试将两部分计算放到同一个框架中完成。

◐ 将相干传播与非相干传播分开处理

论文介绍，算法从空间光调制器（SLM）记录平面开始采样光线，并追踪光线与场景的交互过程。

对于镜面反射、透明折射等能够保持相干性的传播事件，系统会继续追踪完整光程，并累积对应相位；而对于粗糙表面的漫反射，则采用统计方式估计其贡献，不再进行严格的相干传播计算。

最终，不同光路对应的复振幅会在记录平面进行相干叠加，从而得到目标波场。

研究团队表示，这种方式能够更加自然地表达镜面反射、高光、透明材质以及连续离焦等传统图像式CGH较难准确恢复的视觉效果。

◐ 多帧计算无需重复追踪全部光路

由于波路径追踪涉及大量采样，直接计算完整波场的开销较高。

对此，研究团队提出了一种路径复用（Path Reuse）策略。

在时间复用全息中，不同帧之间变化的主要是随机相位，而场景几何、光路以及传播距离保持一致。因此，算法可以复用已经计算完成的路径信息，仅重新生成随机相位，从而避免每一帧都重新进行完整路径追踪。

论文同时提出了HoloPathTracer-Fast版本，通过环境光照缓存（Ambient Radiance Cache）进一步降低计算成本，以提高整体收敛速度。

◐ 仿真与样机结果进行验证

为了验证方法的有效性，研究团队分别进行了数值仿真和光学实验。

在仿真部分，研究人员将HoloPathTracer生成的结果与物理渲染器Mitsuba进行了对比。论文展示的结果显示，在连续再聚焦、视角变化以及镜面和透明材质等场景中，HoloPathTracer能够获得与参考渲染更加一致的重建效果。

与此同时，团队还搭建了一套基于相位型空间光调制器的实验样机。

实验中，通过调整相机焦点位置，可以观察到前景与背景之间更加自然的离焦变化；在模拟观察者瞳孔移动时，系统同样能够呈现视角依赖的重建效果，说明该方法不仅能够改善单一焦平面的显示质量，也能够更好地保持不同观察条件下的一致性。

◐ 总结

近年来，计算全息的发展重点逐渐从提升传播算法效率，转向如何更真实地表达三维场景中的光传播过程。

HoloPathTracer并没有继续沿着传统CGH流程优化中间表示，而是尝试借助路径追踪直接生成复值波场，将图形学中的物理渲染与波光学计算结合起来。这种思路对于镜面反射、透明折射、复杂材质以及全局光照等场景具有一定优势，也体现出CGH研究正逐步向图形学、计算摄影和波光学融合的发展趋势。

当然，从论文展示来看，该方法目前仍以离线计算为主，距离实时全息显示还有一定距离。但随着GPU算力提升以及高速空间光调制器的发展，这类直接基于物理光传播的全息生成框架，有望为下一代高保真全息显示提供新的技术方向。