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分散レイトレーシング（分布レイトレーシング、確率的レイトレーシングとも呼ばれる）は、レイトレーシングを改良したもので、「ソフト」な現象のレンダリングを可能にする。
従来のレイトレーシングでは、単一の光線を使用してさまざまな領域をサンプリングします。たとえば、オブジェクトの色を計算する場合、レイトレーシングはシーン内の各光源に単一の光線を送ることがあります。光源が部分的に遮られることがないため（言い換えれば、すべての光源は点光源であり、面積はゼロです）、この方法ではシャープな影が生成されます。また、従来のレイトレーシングでは、通常、交点ごとに1本の反射光線と1本の透過光線が生成されます。その結果、反射画像と透過画像は完全に（そして通常は非現実的に）シャープになります。
分散レイトレーシングは、一定間隔にわたって分布する複数のレイを平均化することで、これらの制約を取り除きます。例えば、光源領域に影のレイを分布させることで、柔らかな影を表現できます。鏡面反射や透過の方向を中心とした立体角に反射レイと透過レイを分布させることで、光沢のある、あるいはぼやけた反射や透過を表現できます。このようにしてレイトレーシング画像に「柔らかな」現象を加えることで、リアリティを大幅に向上させることができます。なぜなら、従来のレイトレーシングで表現されるような鮮明な現象は、現実世界ではほとんど見られないからです。
同じフレームワークを使用して、より高度なエフェクトも実現可能です。例えば、レンズ領域全体に光線の始点を配置することで被写界深度を表現できます。アニメーションシーンでは、光線を時間的に配置することでモーションブラーをシミュレートできます。スペクトル内で光線を配置することで、虹やプリズムなどの分散効果をレンダリングできます。
数学的には、レンダリング方程式を評価するには、いくつかの積分を評価する必要があります。従来のレイ トレーシングでは、領域内の単一点で被積分関数の値をサンプリングすることでこれらの積分を推定しますが、狭い領域を除いて、これは非常に悪い近似です。分散レイ トレーシングでは、被積分関数をランダムに選択された多数の点でサンプリングし、結果を平均してより良い近似を得ます。これは基本的にモンテカルロ法を3D コンピュータ グラフィックスに適用したものであり、このため「確率的レイ トレーシング」とも呼ばれます。パス トレーシングは、これらのすべての積分領域を単一の高次元領域に結合し、統一された方法でサンプリングするレンダリング テクニックです。
分散レイトレーシングという用語は、分散コンピューティング技術をレイトレーシングに適用することを指す場合もあります。この曖昧さを解消するには、レンダリング技術を「分散レイトレーシング」と呼ぶか、並列コンピューティングを指す場合に「並列レイトレーシング」と呼ぶかの2つの方法があります。