什么是光線追蹤？看這一篇就夠了！

光線追蹤是一種給圖形帶來真實外觀的技術，一個高質量的顯卡可以使用光線追蹤讓用戶身臨其境，該技術試圖以與真實世界相同的方式顯示光線。

虛擬光子

圖形技術解釋起來通常很晦澀，但是光線追蹤很容易理解。它試圖模擬光在現實世界中的工作方式。光線追蹤沒有為游戲場景創建預先設計的光線，而是追蹤模擬光的路徑，更確切地說，是追蹤數以百萬計的模擬光/光子。當物體移動并與它們的屬性相互作用時，光線會從物體上反射回來。比如光從光滑的綠色表面反射，那么光的顏色可能會改變。

這就是現實生活中光的工作原理。一個光粒子從它的原點爆發出來并一直傳播，直到它與一個物體相互作用，在這一點上，它的路徑是由這個物體的屬性決定的。它可能被一個密度大、顏色暗的物體吸收，或者幾乎完全被鏡子反射。

光線追蹤與現實生活的基本相似性使得它成為一種非常逼真的3D渲染技術，甚至使得像《我的世界》這樣的塊狀游戲在適當的條件下看起來都非常逼真。只是有一個問題:它很難模擬。再現光的實際工作方式是復雜的，而且很耗資源，這需要大量的計算能力。即使Nvidia的光線追蹤渲染也不是真正的光線追蹤，每個光線點都是模擬的。相反，它使用了許多巧妙的近似以提供接近相同的視覺效果，但對算力要求可以低得多。

現在，大多數光線追蹤游戲都結合了傳統技術(通常稱為光柵化)和特定表面上的光線追蹤技術，比如反光水坑和金屬制品。《戰地5》就是一個很好的例子。你可以看到軍隊在水中的倒影，飛機上的地形的倒影，以及汽車油漆上爆炸的倒影。在現代3D引擎中顯示反射是可能的，但在不啟用光線追蹤的情況下，無法達到《戰地5》等游戲中顯示的細節水平。

光線跟蹤也可以用于陰影，使物體看起來更動態逼真。在《古墓麗影》中你會看到這種效果。

光線追蹤可以在黑暗和明亮的場景中創建更真實的陰影，具有更柔和的邊緣和更清晰的定義。在沒有光線追蹤的情況下實現這種效果是非常困難的。開發者只能通過小心地使用預設光線來“偽裝”它。這需要花費大量的時間和精力——即使這樣，結果也不盡如人意。

有些游戲會完全使用光線追蹤來實現全局照明，有效追蹤整個場景。但這是最昂貴的，需要最強大的顯卡才能有效運行。Metro Exodus目前使用了這種方法，但是實現上并不完美。

正因為如此，像光線追蹤陰影或反射表面這樣的折中方法很受歡迎。還有一些人利用Nvidia的技術（如去噪和深度學習超級采樣）來提高性能，并掩蓋一些視覺上的問題，這些問題是由于渲染的光線比創建真正的光線跟蹤場景所必需的光線要少。那些保留給預渲染的屏幕截圖和電影，即使用高性能的服務器也需要花幾天時間才能渲染單幀。

光線追蹤所需硬件

為了實現這些相對簡單的光線跟蹤，Nvidia的RTX顯卡加入了專門為光線跟蹤構建的硬件。圖靈架構使用了該公司的RT核心實現實時處理技術，它們對于光線跟蹤來說并不是必需的，因為光線跟蹤效果可以在GTX 10系列和16系列顯卡上運行，盡管它們的能力遠遠低于頂級RTX卡，如2070、2080和2080 Ti。

Nvidia在4月份發布了生成MetroExodus單幀的分解，展示了渲染管道是如何布局的，以及它如何受到光線追蹤的影響。對于非光線追蹤游戲，RTX 2080和GTX 1080 Ti的性能可能大致相當，但當光線追蹤應用于場景時，1080 Ti在沒有專用RT內核的情況下生成相同的圖像所需的時間要長得多。

這就是為什么即使是最強大的GTX顯卡，如1080Ti，在光線追蹤游戲分辨率超過1080p的情況下，都很難實現。但是RT內核并不是萬能藥，即使是擁有最多RT內核的最強大的消費類顯卡2080Ti，在像《戰地V》或《Metro Exodus》這樣的游戲中，分辨率1440p光線追蹤被啟用下，也很難達到每秒60幀或更高的速度。而這個顯卡在光線跟蹤沒有啟用時能夠交付的最高幀率為4K。

但實際上英偉達的光線追蹤方法并不是唯一的選擇。還有重新塑造的“路徑跟蹤”后處理可以提供類似的視覺效果，而沒有任何類似的性能沖擊。

不管實現方式如何，您仍然需要一個強大的顯卡來進行光線跟蹤。隨著這種技術在游戲開發人員中的流行，我們可能會看到更多的支持硬件以更便宜的價格出現。

AMD方案

事實上，AMD顯卡不提供任何光線追蹤加速功能，但這并不意味著他們做不到，而且也不會永遠保持這種狀態。Crytek在2019年發布了一款名為Neon Noir的演示，它展示了一款售價300美元的AMD RX Vega 56的高級光線追蹤效果，運行速度為每秒30幀。這很難說是性能一流，但它至少表明了實現的可能性。

RX 5700 XT和Radeon VII要比Vega 56快得多，而且可以提供更好的幀速率。當AMD在2020年下半年推出傳聞已久的“大Navi”顯卡時，毫無疑問將會變得更好。據報道，它也將支持硬件加速光線追蹤；目前還不清楚它是否會以Nvidia的RT內核的方式工作，或者將被設計為提供更廣泛的游戲光線追蹤。

我們還希望在微軟和索尼的下一代游戲機上看到硬件加速的光線追蹤。這兩種系統都將使用AMD的Navi圖形技術，因此，在2020年后期，Navi將成為主流的光線追蹤GPU。

如何在家里使用光線追蹤？

首先要做的是獲得Nvidia顯卡，因為目前公開的光線追蹤游戲都需要它。如果你只想看到光線追蹤場景是什么樣子，任何RTX或GTX顯卡都可以。但是如果你想玩分辨率高于1080p同時幀速率接近或超過60 FPS，你最好選擇承受范圍內最強大的顯卡。并不一定要選擇超過1000美元的2080 Ti，但是RTX 2060 Super或2070可能是一個基準（花費在350到550美元之間）。

至于游戲，可供選擇的項目仍然非常有限。在最早的RTX演示游戲中仍然可以找到功能最全面的光線追蹤實現，比如《戰地V》、《古墓麗影》和《Metro Exodus》，像《控制》和《MechWarrior 5:傭兵》這樣的新游戲看起來也很不錯。《Stay in the Light》是一款全新的獨立恐怖游戲，它完全基于光線追蹤的反射和陰影，現在你也可以使用RTX光線追蹤來玩一款重新定位的《雷神2》。

原文鏈接：https://www.digitaltrends.com/computing/what-is-ray-tracing/

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