基于物理的光线追踪是一种严格遵循物理机理,从三维模型生成真实感图像的渲染技术,它的首要目标是追求物理上的真实性,在数字内容创作(电影、特效设计、动漫等)和高端工业设计领域具有广泛的应用。同交互式或实时光线追踪相比,基于物理的光线追踪涉及复杂的物理过程和数学模型。渲染过程中物理上光线采样长度的随机性与处理器访存的非局部性常常导致扩展性低和严重的负载不均衡。同时,场景的复杂性以及投向场景的密集采样光线带来高昂的计算开销,这些对设计一套多节点分布式并行成像算法带来了巨大挑战。而已有的工作大多都是运行在单核处理器上,渲染一帧图像往往需要数个小时甚至几天,其超长的耗时已远远不能满足人们对快速渲染的需求。本文通过对3D场景的可见性计算、光的传播方程以及双向路径追踪算法物理本质的研究分析,设计出相应的并行优化算法以提升渲染速率。本文主要研究内容如下:(1)3D场景的可见性计算作为一种加速渲染的方法,近些年备受学者的关注。而传统的3D场景可见性计算方法往往是基于锥视体的,这会遗漏一些可见的图元,影响最终渲染结果的精确度,此外利用锥视域计算可见性的过程往往十分复杂,这进一步增加了渲染的计算量。所以本文提出了一种新颖的可见性计算方法—半球可见性计算法,用来克服传统可见性计算方法中遗漏图元的缺陷。并在此基础上,设计了一种基于Master-Worker模式的分布式并行框架,进而实现半球可见性计算的并行化,同时本文还对影响性能的几个关键因素如场景复杂度、分配粒度等进行详细分析。最后选取复杂场景在天河2号超级计算机对本文的算法进行测试,在近万核的规模下依旧保持近线性的加速比,实验结果说明本文的算法具有良好的可扩展性以及稳定性。(2)双向路径追踪算法同经典的路径追踪算法相比,虽然克服了面对小光源时图像噪声多的缺点,但因视点光线和光源光线的随机组合导致计算量也相应的提高了3-5倍。本文通过分析光的传播方程和双向路径追踪算法的物理本质,提出了全图和子图的概念,为大规模分布式并行绘制提供了理论依据。并设计出一套基于物理的光线追踪分布式双向路径追踪并行成像算法。该套算法从计算节点间的任务划分、核间任务划分两方面进行精细设计,通过任务调度的动静态结合以实现负载均衡。最后针对图形学领域经典且具有挑战性的场景在天河2号超级计算机上进行了测试,实验结果显示本文算法在万核规模下依旧能获得近线性的加速比。