NVIDIA在8月20日的科隆游戲展前發(fā)布會(huì)上，正式揭曉了全新一代基于“圖靈”架構(gòu)的20系游戲顯卡。針對(duì)圖形性能，NVIDIA帶來(lái)了革命性的改進(jìn)，引入了實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)。如果你是一名發(fā)燒級(jí)游戲玩家，在忍受多年傳統(tǒng)光柵化渲染技術(shù)虛虛實(shí)實(shí)的折磨后，一定會(huì)喜歡NVIDIA全新實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)帶來(lái)的真實(shí)畫(huà)面效果，因?yàn)槎咴谟螒虍?huà)面展現(xiàn)上的差距有著天淵之別。

顛覆性的技術(shù)革新

實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)對(duì)于很多游戲玩家來(lái)說(shuō)或許非常生澀，但放在游戲體驗(yàn)中我們可以這么理解，3D大型游戲憑借超現(xiàn)實(shí)的游戲環(huán)境被玩家所追捧，雙眼直觀感受到的游戲畫(huà)面比傳統(tǒng)2D游戲更加豐富，這主要?dú)w功于設(shè)計(jì)師精湛的3D建模技術(shù)讓人物、山水變得擬真度極高，但不管游戲發(fā)展的趨勢(shì)，我們切實(shí)能夠感受的都只能呈現(xiàn)在顯示器平面上，開(kāi)發(fā)者需要通過(guò)復(fù)雜的轉(zhuǎn)換將3D游戲場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為2D畫(huà)面，這就需要畫(huà)面內(nèi)每一個(gè)物品都和真實(shí)環(huán)境相似，具備陰影等效果。

每一位沉浸在游戲畫(huà)面中的玩家都會(huì)慢慢發(fā)現(xiàn)游戲世界中的體驗(yàn)效果并不真實(shí)。至于假到什么程度？可能我們經(jīng)過(guò)某處，物體表現(xiàn)的渲染沒(méi)有任何變化或者直接被突如其來(lái)的大量人物陰影直接遮蓋。四周環(huán)境也不會(huì)因你的到來(lái)而發(fā)生絲毫的變化，該亮的地方依舊很亮，該暗的地方卻沒(méi)有變暗。

換言之也就是整個(gè)游戲內(nèi)的一切可能出現(xiàn)的陰影都是提前設(shè)計(jì)好的，只會(huì)因玩家的出現(xiàn)而增加，但不會(huì)隨玩家的移動(dòng)而改變。游戲世界的環(huán)境都是設(shè)計(jì)時(shí)固定的，并不會(huì)因?yàn)橥婕医巧淖兓S之變化。

傳統(tǒng)光柵化渲染

光柵化渲染其實(shí)將一個(gè)3D圖形的幾何信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)柵格組成的2D圖像的過(guò)程，可以理解為在這個(gè)3D圖形的每個(gè)點(diǎn)都包含有顏色、深度以及紋理數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算變換后，將其轉(zhuǎn)換為2D圖像的像素，進(jìn)而呈現(xiàn)在顯示設(shè)備上。

這一過(guò)程也就構(gòu)成了我們視覺(jué)所看到的各類陰影效果以及光線投射，直白地說(shuō)，游戲的設(shè)計(jì)者結(jié)合環(huán)境說(shuō)一個(gè)物體這里有陰影，并基于這樣的觀點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而呈現(xiàn)在游戲畫(huà)面中，我們看到的這一物體就會(huì)有一塊非常逼真的陰影，達(dá)到逼真的視覺(jué)效果。

如果開(kāi)發(fā)者的判斷是對(duì)的，那么畫(huà)面上的效果也就是對(duì)的，但是游戲開(kāi)發(fā)者只能做到無(wú)限接近于真實(shí)狀態(tài)，并不能保證這就是真實(shí)的效果。反之，如果開(kāi)發(fā)者的判斷是錯(cuò)誤的，在不可能出現(xiàn)陰影的地方有了陰影，作為觀看者的我們也沒(méi)有任何辦法。

所以說(shuō)光柵化技術(shù)有非常明顯的缺陷，因?yàn)樗且粋€(gè)騙人的技術(shù)。

隨著游戲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，幾乎每一款3A級(jí)游戲大作都為玩家構(gòu)建了一個(gè)非常完整的世界。但不管是之前的游戲還是現(xiàn)在的游戲，玩家的行為越來(lái)越不可控，任何一個(gè)單獨(dú)的角落、不是正常途徑的路線都能成為玩家經(jīng)過(guò)之地。這種行為對(duì)于設(shè)計(jì)師或者開(kāi)發(fā)者而言，是極大的開(kāi)發(fā)壓力，因?yàn)闆](méi)有人可以將所有玩家途徑的區(qū)域全部考慮在內(nèi)。

如果對(duì)游戲場(chǎng)景進(jìn)行限制又會(huì)讓游戲喪失自由度。通常的處理方式是考慮盡可能多的環(huán)境場(chǎng)景，規(guī)定GPU在這些特定的場(chǎng)景下進(jìn)行特定的光柵化渲染，產(chǎn)生陰影等視覺(jué)效果。

它的局限性在于，當(dāng)我們途徑一塊并不是規(guī)定的區(qū)域或角度有所偏差的時(shí)候，物體的光柵化渲染效果并不會(huì)改變，依舊是設(shè)定好的效果呈現(xiàn)。

造成的結(jié)果也就是在體驗(yàn)游戲的過(guò)程中，看到的一切畫(huà)面其實(shí)都是提前設(shè)定好的，看似真實(shí)，但總是會(huì)有瑕疵。

視覺(jué)真實(shí)的光線追蹤

標(biāo)準(zhǔn)化的光線追蹤（raytracing）是以光源為起點(diǎn)定義光線，進(jìn)而追蹤由此產(chǎn)生的光線與物體表面以及光線與光線之間交互關(guān)系的過(guò)程。但該技術(shù)目前實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難，因?yàn)檫@一技術(shù)需要無(wú)限多的光線照射在物體表面，通過(guò)反射、折射、漫射等途徑進(jìn)入最終的“攝像機(jī)”成像。這一過(guò)程需要耗費(fèi)大量的算力（當(dāng)前PC的計(jì)算能力無(wú)法做到）且會(huì)有大量光線損失，此次NVIDIA推出的RTX 20系顯卡包括現(xiàn)在絕大多數(shù)光線追蹤技術(shù)采用的都是逆向思維，即以“攝像機(jī)”鏡頭為出發(fā)點(diǎn)，反向回溯光線并通過(guò)這些光線尋找光源。

可以理解為RTX的光線追蹤是人為定義了射入攝像機(jī)的光線總量，通過(guò)回溯這些光線反射后以尋找光源，每一個(gè)交匯結(jié)果都可以被作為是回溯過(guò)程中招惹到的光源所發(fā)射的光線與物體作用的結(jié)果，找不到就丟棄。

這樣做的好處在于光線關(guān)系的起點(diǎn)是攝像機(jī)，這就造成光線關(guān)系與場(chǎng)景可視的幾何信息存在高度的關(guān)聯(lián)性和可遍歷性，也就是所有進(jìn)入不了視野的光線都將被認(rèn)為的剔除。

另外，光線的實(shí)際范圍被約束在了可視場(chǎng)景內(nèi)，方便光線在回溯過(guò)程中的排序以及遍歷，光線的處理過(guò)程既可以跟shader過(guò)程結(jié)合，也可以透過(guò)direct compute單獨(dú)拿出來(lái)做獨(dú)立數(shù)學(xué)步驟，就像deferred shading一樣。

這樣做會(huì)極大的加速整個(gè)追蹤和交匯檢查過(guò)程的效率，我們可以看做是手解高階方程與使用計(jì)算機(jī)處理的差別。

當(dāng)然，他的缺點(diǎn)也是不容忽視的，比如這類實(shí)時(shí)光線追蹤并不是從光源出發(fā)，而是從視角的角度出發(fā)，無(wú)法做到對(duì)真實(shí)的光線進(jìn)行真實(shí)的遍歷，人為規(guī)定了光線的數(shù)量以回溯光線的過(guò)程，也就意味著整個(gè)過(guò)程脫離不開(kāi)人為定義，錯(cuò)誤的干擾依舊是不精確甚至錯(cuò)誤的主要原因。但總的來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)可以讓玩家體驗(yàn)到更加真實(shí)的游戲場(chǎng)景，光線決定了物體表現(xiàn)的最終紋理，在體驗(yàn)游戲真實(shí)性上是一次巨大的技術(shù)革新。

RTX光線追蹤技術(shù)

很多人都說(shuō)實(shí)時(shí)光線追蹤追了這么多年還是追不上，但此次NVIDIA RTX的實(shí)時(shí)光線追蹤可以認(rèn)為是歷史上距離真實(shí)最接近的一次，在未來(lái)數(shù)年內(nèi)甚至引領(lǐng)顯卡行業(yè)的發(fā)展。這類說(shuō)法可能不完全正確，但RTX在實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)上的突破的確具有劃時(shí)代意義。

我們以10W束標(biāo)準(zhǔn)自然光線的場(chǎng)景遍歷舉例，平均每道光線進(jìn)行3次交互檢查，大概需要100T的DP算力。而基于DXR環(huán)境下的光線追蹤。以16T的SP算力實(shí)現(xiàn)100G束光線的單次交匯檢查，這個(gè)運(yùn)算效率的提升的顛覆性的。它將天生與緩存體系敵對(duì)的光線追蹤過(guò)程重新拉回現(xiàn)有渲染流水能夠控制的范圍內(nèi)，讓現(xiàn)有流水線能夠處理本來(lái)無(wú)法完成的過(guò)程。

而且效果也是明顯的，雖然這個(gè)RT是人為規(guī)定的反向回溯，但反向回溯也是回溯，一旦正確回溯到光源，那這條光線就是真實(shí)正確的，它與物體之間的所有交互關(guān)系所產(chǎn)生的顏色、亮度甚至透視度等變化都將是符合自然規(guī)律的，這比光柵化渲染的人為定義光源結(jié)果要正確得多?？梢哉f(shuō)RTX的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)以及與最終形態(tài)的光線追蹤技術(shù)近乎接近。

還原真實(shí)視覺(jué)體驗(yàn)

以上就是我們對(duì)NVIDIA RTX的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的一次簡(jiǎn)單解析，我們可以看到，全新的光線追蹤技術(shù)對(duì)于整個(gè)游戲產(chǎn)業(yè)帶來(lái)翻天覆地的改變，隨著9月20日的臨近，想必會(huì)有更多游戲大作開(kāi)始支持實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)，與往常我們一直深受游戲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)者預(yù)設(shè)好的“欺騙式”畫(huà)面體驗(yàn)不同，實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)會(huì)將所有游戲愛(ài)好者帶到一片與真實(shí)環(huán)境無(wú)太大差別的世界中，甚至我們可以通過(guò)游戲畫(huà)面感受到與真實(shí)世界相同的視覺(jué)體驗(yàn)。

另外，實(shí)時(shí)光線追蹤在未來(lái)絕不僅僅局限于游戲市場(chǎng)，由于光線追蹤的算法與現(xiàn)實(shí)的真實(shí)世界物理規(guī)則幾乎一致，也就是在構(gòu)建畫(huà)面的過(guò)程中具備了巨大的優(yōu)勢(shì)。在可預(yù)期的未來(lái)，實(shí)時(shí)光線技術(shù)將大幅改善實(shí)時(shí)3D圖像的質(zhì)量，光線效果也將更加真實(shí)精準(zhǔn)，最重要在于光線追蹤技術(shù)突破了渲染的限制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)光線效果，在傳統(tǒng)渲染引擎面前復(fù)雜的圖像處理問(wèn)題也將迎刃而解，變得更加高效簡(jiǎn)易。