近距離完全接觸實時光線追蹤　深度解析體驗RTX ON的秘密

竇樂

從像素游戲到2D游戲再到3D游戲，玩家們對于游戲視覺享受的追求永無止境，只有更好而沒有最好。2018年下半年開始，NVIDIA GeForce RTX顯卡面世，伴生著一項堪稱偉大的游戲效果也進入了普及階段，那就是RealTime Ray Tracing（實時光線追蹤），俗稱“光追”。光追，也成為現今玩家們經常掛在嘴邊的熱門字眼。但不得不說，對多數玩家來說，對于什么是光追，光追游戲到底有怎樣的效果等問題，仍然一知半解。今天， MC就帶你徹底走進光追，解析RTX顯卡到底給玩家們帶來了怎樣具有震撼性的游戲效果。

2018年8月底，伴隨著GeForce RTX2080 Ti等顯卡的發布，它成為了游戲顯卡歷史上有史以來“最”快的顯卡，可以在幾乎所有的大型游戲中提供4K@60fps以上的游戲體驗。而且不止如此，RTX顯卡還包括了一系列前瞻性的技術，這些新技術的加入也展現出了擁有改變未來PC游戲規則的潛質。不但提高了視覺擬真度，引入了更為逼近現實的圖形顯示效果，而且還進一步提升了性能。按照NVIDIA的規劃，圖靈顯卡這一系列新“黑科技”的引入，是對當今顯卡行業技術標準的一次巨大改進與改善，在已有的行業標準基礎上，RTX顯卡將其發揮到了極致——這就是RTX光線追蹤、人工智能以及高級著色器。而對游戲玩家們來說，RTX光線追蹤就是能帶來最直觀游戲體驗升級的秘密武器。

實時光線追蹤簡析

Ray Tracing光線追蹤其實在本質上算是一種渲染技術，它可以通過渲染物理結構的物體上準確的反射、折射、陰影、間接照明以及遮蔽等效果，來逼真地模擬實際場景及其對象的照明狀況。光線追蹤的基本原理就是通過追蹤來自攝像機（或人眼，也就是視覺進入場景的視角），穿過二維觀看平面（像素成像平面），進入真實的3D場景并再返回光源的光路，并由此生成PC端顯示的圖形圖像。當光線穿過3D場景時，大概率情況下光線可能從一個物體反射到另一個物體上（反射效果），或者是被物體阻擋（產生陰影效果），或是穿過透明或半透明的物體（產生折射效果）等。所有這些因光線與物體的相互作用而產生的不同效果被組合在一起，最終會產生包含不同顏色和像素的物體實際照明狀況，然后將其顯示在屏幕上對玩家輸出。而光線追蹤之所以選擇人眼或攝像機到光源的這種反向跟蹤過程，是因為它比跟蹤從光源在多個方向上發出的所有光線要高效得多。

光線追蹤在很早之前就已經出現，并且出現過好幾個具有代表性的算法流派之爭（MC將另外以單獨的文章為大家解析其中的技術細節），但其應用的主要領域仍然是計算機圖形學，包括非實時光線追蹤（如電影、電視等場景的渲染）以及實時光線追蹤（主要是游戲視頻）兩大陣地，而對于玩家們來說，游戲場景中所使用的實時光線追蹤正是與自己切身相關的，也是NVIDIA GeForce RTX顯卡的“黑科技”之_。

其實從最初的算法被提出到現在的幾十年來，光線追蹤一直是電腦圖形領域的旗幟與“圣典”，因為它具有獨特的功能，可以為屏幕上輸出的一切圖形圖像提供最接近現實情況的擬真度。但在之前，對所有這一領域的研究者們來說都存在一個超級大難題：要獲得高質量的渲染結果，每幀需要進行數百萬次甚至更多的光線追蹤運算操作，并且每次光線追蹤操作都必須計算光線與物體撞擊的內容以及這種交互如何影響渲染場景的外觀。這種龐大的計算量在很大程度上影響了CPU的效率與占用率，以至于電腦和服務器都需要極其巨大的處理能力才能創建復雜的效果和虛擬世界，導致的結果就是我們在電視節目或電影中看到一個簡短的采用光線追蹤渲染的場景都可能需要好幾天的時間才能渲染出來。

不過GeForce RTX顯卡的出現改變了這一狀況，基于GPU加速的NVIDIA RTX平臺的發布，并推出了具有專用RT內核的GeForce RTX和QuadroRTX GPU，從而迅速加速了電影級光線追蹤的VFX鏡頭和影視世界的創建。但是在游戲領域，事情卻還有所相同：實時播放的游戲畫面（至少每秒30幀），并且玩家可以隨時更改游戲中的視角、場景或游戲內容。這就需要GPU每時每刻都提供超高的運算量，而這也必然會導致游戲幀率有較大幅度的下降，而且現有的消費級GPU、CPU的功耗狀況與計算能力都不足以提供所有場景、物體的實時光線追蹤渲染效果。因此，需要一種與之前都不同的渲染方法，在這種方法中，實時光線跟蹤計算可以對游戲的擬真度提供充分的保障，但同時又不會使游戲實際幀率過慢。所以NVIDIA在最初就提出了混合渲染的方法——即對選定的物體與效果進行實時光線追蹤計算，以為開發人員多年來精心制作的高保真光柵化世界（也就是傳統3D渲染）添加逼真的照明、陰影和反射效果。最終，結果是大幅提升了圖像質量，而且保證游戲過程仍可以保持在流暢的幀率標準以上，讓玩家在可玩的幀率下享受更加身臨其境、逼真的游戲體驗，這就是NVIDIA GeForce RTX顯卡帶來的光追效果。

那么說了光追的基本原理，可能有玩家會問，光追效果在游戲中到底是怎樣體現的？我從哪些方面能夠感受到光追的效果呢？下面，MC就為大家解答這一疑惑！

RTX光追特效之反射

代表游戲：《戰地V》《控制》《重生邊緣》《看門狗：軍團》等

在RTX顯卡將實時光線追蹤的反射效果帶到游戲中來之前，對PC游戲環境來說，可用的最佳反射技術就是將屏幕空間反射（SSR）與靜態環境貼圖結合使用，但對于任何游戲開發人員來說，無論代碼編寫與算法多么出色，實際上都不可能克服其局限性。例如，“屏幕空間反射”只能顯示屏幕對象（也就是那些在每幀畫面的其他部分中已經可見的對象）的反射。實際上，任何應反射的屏幕外（包括視覺視線以及攝像機后面）的內容都將被“偽造”為低分辨率的立方體貼圖。該立方體貼圖是應用于表面（例如大樓窗戶）的預先生成的反射圖像。

立方體貼圖的局限性在于，它們只能代表從場景中的單個點觀察到的反射環境，因此雖然可以對大型反射對象產生擬真度很高的物理效果，但是呈現出的反射結果卻顯得呆板與單調，甚至同一反射被復制到不同位置的多個窗口中，這是一種靜態的反射效果，而不管當玩家的視線發生變化時，實際場景就完全不同的情況。

盡管確實有一些技術可以根據附近物體與環境的出現來定期更新立方體貼圖，但是它們仍然無法克服該技術的固有問題——因此仍然缺乏顯示人物、車輛或實際移動效果的能力。而SSR的另一個主要問題是渲染的反射效果不能顯示被遮擋的細節，比如當一個大物體位于另一個物體的后面一樣，實際上在真實的反射環境中這應該是可見的部分，但是在SSR中卻無法體現。此外，當玩家移動或轉動視線，或者玩家離所反射的表面或物體太近時，反射物消失的問題還存在，這都是因為要反映的細節無法進行追蹤處理。

為了渲染出最擬真的反射效果，GeForce RTX顯卡所支持的光追特效從攝像機或肉眼可見到的表面“投射光線”，當這些光線與物體對象或物體曲面相碰撞時，交點處的詳細信息就將和許多其他的交匯光線與碰撞面的許多信息一起用于創建反射效果。而且，為了創建更為逼真的效果，RTX光追特效考慮了每個對象目標物體與表面的屬性，以便確定這種表面是否可以反射、是否吸收光線、是粗糙還是光滑以及是否透明等等。同時，在RTX顯卡光追特效下，每個物體表面的反射物信息都是實時可變的，會隨著場景的物體變化或額外物理效果的產生而進行實時更新，比如在《戰地v》中我們就可以看到車身的漆面反射出爆炸火光從產生到消失的完整過程。同時，在RTX顯卡的實時光追反射效果下，菲涅爾反射效果會得到完美的重現，根據視線角度的差異會帶來不一樣的反射物渲染結果，這一切跟實際環境狀況非常接近。但如果沒有實時光線追蹤和RTX光追特效技術的加持，你看到的反射面或許就是完全一樣的，每一個反射在所有點上都會異常的明亮。

RTX光追特效之漫反射全局光照

代表游戲：《地鐵：離去》《控制》《我的世界》等

GeForce RTX GPU的實時光線追蹤功能的另外一個主要特效體現在于能夠更準確地模擬場景中表面反射光的效果，從而使游戲開發人員能夠在游戲中添加“基于光線追蹤的漫反射全局光照”。所謂“全局光照”，它描述的是場景中所有光相互作用的過程，包括直射光從一個表面反射到另一個表面所產生的間接影響等。在RTX實時光線追蹤特效面世之前，這一效果通常是通過預先計算的光照貼圖、基于圖像的光探測功能、反射陰影貼圖以及場景預設的虛擬燈光來綜合實現強制光照效果。但這些技術的應用有幾個缺點，其中最大的缺點就是動態光照無法反彈或照亮超出照明范圍的區域。舉個例子說，假設有一個黑暗的房間，明亮的光線透過窗戶照進來。使用傳統技術，所有直接被燈光照射的東西都會被照亮，但是被照亮的區域本身不會反射光線，也無法照亮周圍的游戲元素，而實際的情況是被光線直接照亮的物體會通過反射來照亮周圍的元素，這就是漫反射全局光照。

通過RTX顯卡的光線跟蹤，現在能夠更準確地對場景中表面的一個或多個間接反射所反射的動態間接漫射光照進行建模，從而使游戲開發人員能夠使用更真實的間接照明來制作動態場景，并隨著燈光的變化進行實時更新。換句話說，光線會自然反射，照亮物體并照亮周圍的細節。而且如果太陽移動或窗簾打開，那么房間的照明就會發生實際變化，使您能夠以全新的視角看到房間。

借助實時的“光線追蹤漫反射全局光照”，游戲開發人員現在可以創新性地制作出逼真的、適當照明的游戲世界，這些世界可以對照明變化和物體的幾何形狀變化做出動態反應。這在《地鐵：離去》《控制》《我的世界》等游戲中尤其明顯，尤其是在《控制》中，變形級別會從根本上影響場景的照明，從而完全改變其外觀。

RTX光追特效之環境光遮蔽

代表游戲：《地鐵：離去》《使命召喚：現代戰爭》等

環境光遮蔽（AO）是一種用于在物體或表面遮擋環境光（例如巖石周圍）的地方添加接觸陰影的技術。這樣可以防止物體看起來好像是漂浮在表面上，并使整體場景看起來更真實和地面化。在此之前，同類AO的首選解決方案是NVIDIA自家的HBAO+，它在性能和擬真度上大大超越了SSAO。但歸根結底，HBAO+仍然是—種屏幕空間技術，因此無法渲染出屏幕外和隱藏的細節。

使用RTX光線追蹤環境光遮蔽（RTAO），可以大大提高質量和準確性，它能夠渲染屏幕外的細節和隱藏的細節（例如桌子的底面），從而使場景更加真實。“環境光遮蔽”對于場景的沉浸感和真實感的重要性經常被玩家忽略——因為它不像反射或爆炸效果那樣宏大而夸張，也不像玩家角色的陰影那樣可以立即引起注意。但是，如果沒有它，一切看起來都會是“關閉”的——比如裝甲的折痕處將沒有陰影，兩個墻相接處不會有黑暗的角落，而且所有的東西看起來似乎都漂浮在其他表面的頂部。

RTX光追特效之陰影

代表游戲：《古墓麗影：暗影》《使命召喚：現代戰爭》等

陰影效果相信玩家們都不會陌生。而事實上，近些年來，PC游戲陰影已經走了很長一段路，添加了許多功能，使它們更接近于復制現實世界中的陰影外觀。在光追陰影效果之前，游戲開發人員基本都需要謹慎地平衡傳統陰影貼圖的屬性，以最大程度地提高準確性，平衡細節和查看距離，同時避免陰影混疊、陰影粉刺（錯誤的自陰影）和陰影分離（無法與陰影的基礎部位完全連接）等問題。即使被稱為最接近真實效果的NVIDIA HFTS混合視角錐體陰影技術，也和所有其他光柵化陰影技術一樣，都是一些巧妙編程的技巧的集合，以嘗試模擬真實陰影的外觀。

而在使用RTX光線追蹤技術后，這些問題不再是一個問題。取而代之的是，RTX光追陰影會在整個場景上投射數百萬條光線，以真實地說明遮擋光線的角色、物體和樹葉等，這應該是游戲發展史上第一次真正產生如此逼真的陰影效果。而且，除了添加精確的陰影之外，RTX光追陰影技術還可以支持大型復雜的交互，實時半透明陰影以及大量其他技術，其詳細程度遠遠超過了以前可能實現的水平。特別的是，RTX光追效果使開發人員可以使用面光源，從而導致更大的半影投射和物理效果上正確的接觸硬化，從而使陰影在靠近投射對象時變得更清晰。而在《古墓麗影：暗影》《使命召喚：現代戰爭》等游戲中，玩家們可以清楚地看到RTX光追陰影帶來的好處。

表面反射、陰影，環境光遮蔽和漫反射全局光照，這些特效都可以通過RTX光線追蹤實現。而到現在為止，已經有數十款已經發售或即將發售的游戲實現了對光線追蹤效果的支持，這也為玩家們提供了前所未有的擬真度、保真度和沉浸感。如果你想首先接觸未來游戲的擬真特效，從RTX光追效果開始無疑是最合適的做法。