光線追蹤是一種給圖形帶來(lái)真實(shí)外觀的技術(shù)，一個(gè)高質(zhì)量的顯卡可以使用光線追蹤讓用戶身臨其境，該技術(shù)試圖以與真實(shí)世界相同的方式顯示光線。

虛擬光子

圖形技術(shù)解釋起來(lái)通常很晦澀，但是光線追蹤很容易理解。它試圖模擬光在現(xiàn)實(shí)世界中的工作方式。光線追蹤沒(méi)有為游戲場(chǎng)景創(chuàng)建預(yù)先設(shè)計(jì)的光線，而是追蹤模擬光的路徑，更確切地說(shuō)，是追蹤數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的模擬光/光子。當(dāng)物體移動(dòng)并與它們的屬性相互作用時(shí)，光線會(huì)從物體上反射回來(lái)。比如光從光滑的綠色表面反射，那么光的顏色可能會(huì)改變。

這就是現(xiàn)實(shí)生活中光的工作原理。一個(gè)光粒子從它的原點(diǎn)爆發(fā)出來(lái)并一直傳播，直到它與一個(gè)物體相互作用，在這一點(diǎn)上，它的路徑是由這個(gè)物體的屬性決定的。它可能被一個(gè)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(xiàn)實(shí)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(shù)，甚至使得像《我的世界》這樣的塊狀游戲在適當(dāng)?shù)臈l件下看起來(lái)都非常逼真。只是有一個(gè)問(wèn)題：它很難模擬。再現(xiàn)光的實(shí)際工作方式是復(fù)雜的，而且很耗資源，這需要大量的計(jì)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(gè)光線點(diǎn)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(jué)效果，但對(duì)算力要求可以低得多。

現(xiàn)在，大多數(shù)光線追蹤游戲都結(jié)合了傳統(tǒng)技術(shù)（通常稱為光柵化）和特定表面上的光線追蹤技術(shù)，比如反光水坑和金屬制品?！稇?zhàn)地5》就是一個(gè)很好的例子。你可以看到軍隊(duì)在水中的倒影，飛機(jī)上的地形的倒影，以及汽車(chē)油漆上爆炸的倒影。在現(xiàn)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(wú)法達(dá)到《戰(zhàn)地5》等游戲中顯示的細(xì)節(jié)水平。

光線跟蹤也可以用于陰影，使物體看起來(lái)更動(dòng)態(tài)逼真。在《古墓麗影》中你會(huì)看到這種效果。

光線追蹤可以在黑暗和明亮的場(chǎng)景中創(chuàng)建更真實(shí)的陰影，具有更柔和的邊緣和更清晰的定義。在沒(méi)有光線追蹤的情況下實(shí)現(xiàn)這種效果是非常困難的。開(kāi)發(fā)者只能通過(guò)小心地使用預(yù)設(shè)光線來(lái)“偽裝”它。這需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力——即使這樣，結(jié)果也不盡如人意。

有些游戲會(huì)完全使用光線追蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)全局照明，有效追蹤整個(gè)場(chǎng)景。但這是最昂貴的，需要最強(qiáng)大的顯卡才能有效運(yùn)行。Metro Exodus目前使用了這種方法，但是實(shí)現(xiàn)上并不完美。

正因?yàn)槿绱?，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(shù)（如去噪和深度學(xué)習(xí)超級(jí)采樣）來(lái)提高性能，并掩蓋一些視覺(jué)上的問(wèn)題，這些問(wèn)題是由于渲染的光線比創(chuàng)建真正的光線跟蹤場(chǎng)景所必需的光線要少。那些保留給預(yù)渲染的屏幕截圖和電影，即使用高性能的服務(wù)器也需要花幾天時(shí)間才能渲染單幀。

光線追蹤所需硬件

為了實(shí)現(xiàn)這些相對(duì)簡(jiǎn)單的光線跟蹤，Nvidia的RTX顯卡加入了專門(mén)為光線跟蹤構(gòu)建的硬件。圖靈架構(gòu)使用了該公司的RT核心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理技術(shù)，它們對(duì)于光線跟蹤來(lái)說(shuō)并不是必需的，因?yàn)楣饩€跟蹤效果可以在GTX 10系列和16系列顯卡上運(yùn)行，盡管它們的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于頂級(jí)RTX卡，如2070、2080和2080 Ti。

Nvidia在4月份發(fā)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(duì)于非光線追蹤游戲，RTX 2080和GTX 1080 Ti的性能可能大致相當(dāng)，但當(dāng)光線追蹤應(yīng)用于場(chǎng)景時(shí)，1080 Ti在沒(méi)有專用RT內(nèi)核的情況下生成相同的圖像所需的時(shí)間要長(zhǎng)得多。

這就是為什么即使是最強(qiáng)大的GTX顯卡，如1080Ti，在光線追蹤游戲分辨率超過(guò)1080p的情況下，都很難實(shí)現(xiàn)。但是RT內(nèi)核并不是萬(wàn)能藥，即使是擁有最多RT內(nèi)核的最強(qiáng)大的消費(fèi)類(lèi)顯卡2080Ti，在像《戰(zhàn)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(dá)到每秒60幀或更高的速度。而這個(gè)顯卡在光線跟蹤沒(méi)有啟用時(shí)能夠交付的最高幀率為4K。

但實(shí)際上英偉達(dá)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(lèi)似的視覺(jué)效果，而沒(méi)有任何類(lèi)似的性能沖擊。

不管實(shí)現(xiàn)方式如何，您仍然需要一個(gè)強(qiáng)大的顯卡來(lái)進(jìn)行光線跟蹤。隨著這種技術(shù)在游戲開(kāi)發(fā)人員中的流行，我們可能會(huì)看到更多的支持硬件以更便宜的價(jià)格出現(xiàn)。

AMD方案

事實(shí)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(huì)永遠(yuǎn)保持這種狀態(tài)。Crytek在2019年發(fā)布了一款名為Neon Noir的演示，它展示了一款售價(jià)300美元的AMD RX Vega 56的高級(jí)光線追蹤效果，運(yùn)行速度為每秒30幀。這很難說(shuō)是性能一流，但它至少表明了實(shí)現(xiàn)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(dāng)AMD在2020年下半年推出傳聞已久的“大Navi”顯卡時(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)將會(huì)變得更好。據(jù)報(bào)道，它也將支持硬件加速光線追蹤；目前還不清楚它是否會(huì)以Nvidia的RT內(nèi)核的方式工作，或者將被設(shè)計(jì)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(jī)上看到硬件加速的光線追蹤。這兩種系統(tǒng)都將使用AMD的Navi圖形技術(shù)，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?yàn)槟壳肮_(kāi)的光線追蹤游戲都需要它。如果你只想看到光線追蹤場(chǎng)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(shí)幀速率接近或超過(guò)60 FPS，你最好選擇承受范圍內(nèi)最強(qiáng)大的顯卡。并不一定要選擇超過(guò)1000美元的2080 Ti，但是RTX 2060 Super或2070可能是一個(gè)基準(zhǔn)（花費(fèi)在350到550美元之間）。

至于游戲，可供選擇的項(xiàng)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(shí)現(xiàn)，比如《戰(zhàn)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(lái)也很不錯(cuò)。《Stay in the Light》是一款全新的獨(dú)立恐怖游戲，它完全基于光線追蹤的反射和陰影，現(xiàn)在你也可以使用RTX光線追蹤來(lái)玩一款重新定位的《雷神2》。
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