光線追蹤是什么

光線追蹤是一種照明技術，可為游戲帶來額外的真實感。它模擬了光在現實世界中的反射和折射方式，提供了一個比在更傳統的游戲中使用靜態照明通?？吹降母尚诺沫h境。

光線追蹤是一種照明技術，可為游戲帶來額外的真實感。它模擬了光在現實世界中的反射和折射方式，提供了一個比在更傳統的游戲中使用靜態照明通?？吹降母尚诺沫h境。但究竟什么是光線追蹤？更重要的是，它是如何工作的？

一個好的顯卡可以使用光線追蹤來增強沉浸感，但并不是所有的 GPU 都能處理這種技術。繼續閱讀以決定光線追蹤是否對您的游戲體驗至關重要，以及是否有理由在升級的 GPU 上花費數百美元。

虛光子

要了解光線追蹤革命性的照明系統是如何工作的，我們需要退后一步，了解游戲之前是如何渲染光線的，以及需要模擬哪些內容才能獲得逼真的體驗。

沒有光線追蹤的游戲依賴于靜態“烘焙”光照。開發人員將光源放置在可以在任何給定視圖上均勻發光的環境中。此外，像 NPC 和對象這樣的虛擬模型不包含任何其他模型的任何信息，因此需要 GPU 在渲染過程中計算光照行為。表面紋理可以反射光以模擬光澤，但只能反射從靜態光源發出的光。下面以 GTA V 中的反射 對比 為例。

總體而言，多年來，GPU 的發展幫助這一過程在外觀上變得更加逼真，但游戲在現實世界的反射、折射和一般照明方面仍然不夠逼真。為此，GPU 需要能夠追蹤虛擬光線。

在現實世界中，可見光只是人眼感知的電磁輻射家族的一小部分。它包含既像粒子又像波的光子。光子沒有真正的大小或形狀——它們只能被創造或摧毀。

也就是說，光可以被識別為光子流。你擁有的光子越多，感知到的光就越亮。當光子從表面反彈時會發生反射。當沿直線傳播的光子穿過透明物質并且該線被重定向或“彎曲”時，就會發生折射。被破壞的光子可以被認為是“被吸收的”。

游戲中的光線追蹤試圖模擬光在現實世界中的工作方式。它通過跟蹤數百萬個虛擬光子來跟蹤模擬光的路徑。光線越亮，GPU 必須計算的虛擬光子就越多，它反射、折射和散射的表面就越多。

這個過程并不是什么新鮮事。CGI 使用光線追蹤已有數十年，盡管該過程在早期需要大量計算機來生成完整的電影，因為單個幀可能需要數小時甚至數天才能渲染?，F在，家用 PC 可以實時模擬光線追蹤圖形，利用硬件加速和巧妙的照明技巧將光線數量限制在可管理的范圍內。

真正令人大開眼界的是：與任何電影或電視節目一樣，CGI 動畫中的場景通常是使用不同角度“拍攝”的。對于每一幀，您可以移動攝像機來捕捉動作、放大、縮小或平移整個區域。和動畫一樣，您必須逐幀操作所有內容以模擬運動。把所有的鏡頭拼在一起，你就有了一個流暢的故事。

在游戲中，您可以控制一個始終處于運動狀態并始終改變視角的攝像機，尤其是在快節奏的游戲中。在 CGI 和光線追蹤游戲中，GPU 不僅必須計算光線在任何給定場景中的反射和折射方式，還必須計算鏡頭如何捕捉光線——您的視點。對于游戲來說，這對于單個 PC 或控制臺來說是一項巨大的計算工作。

不幸的是，我們仍然沒有能夠真正以高幀速率渲染光線追蹤圖形的消費級 PC。相反，我們現在擁有可以有效作弊的硬件。

讓我們變得真實

光線追蹤與現實生活的基本相似性使其成為一種極其逼真的 3D 渲染技術，甚至可以讓像 Minecraft 這樣的塊狀游戲 在適當的條件下看起來接近照片般逼真。只有一個問題：它非常難以模擬。重現光在現實世界中的工作方式是復雜且資源密集型的，需要大量的計算能力。

這就是為什么游戲中現有的光線追蹤選項（例如 Nvidia 的 RTX 驅動的光線追蹤）并不真實。它們不是真正的光線追蹤，每一個光點都是模擬的。相反，GPU 通過使用幾種智能近似來“作弊”，以提供接近相同視覺效果的東西，但又不會對硬件造成太大負擔。

大多數光線追蹤游戲現在結合使用傳統照明技術（通常稱為光柵化）和特定表面（如反射水坑和金屬制品）上的光線追蹤。戰地 V 就是一個很好的例子。您會看到水中部隊的倒影、飛機上的地形倒影以及汽車油漆上爆炸的倒影?？梢栽诂F代 3D 引擎中顯示反射，但在啟用光線追蹤時，無法達到戰地 V 等游戲中顯示的細節水平。

光線追蹤也可以用于陰影，使它們看起來更加動態和逼真。你會在《古墓麗影：暗影》中看到這種效果非常好。

光線追蹤照明可以在黑暗和明亮的場景中創建更逼真的陰影，邊緣更柔和，清晰度更高。在沒有光線追蹤的情況下實現這種外觀非常困難。開發人員只能通過謹慎、可控地使用預設的靜態光源來偽造它。放置所有這些“舞臺燈”需要花費大量時間和精力——即便如此，結果也不太對勁。

一些游戲全力以赴，使用光線追蹤進行全局照明，有效地對整個場景進行光線追蹤。但這是計算成本最高的選項，需要最強大的現代顯卡才能有效運行。Metro Exodus 使用了這種技術，盡管實現并不完美。

正因為如此，只有光線追蹤陰影或反射表面之類的半措施很受歡迎。其他游戲利用 Nvidia 技術（如去噪和深度學習超級采樣）來提高性能并掩蓋由于渲染光線少于創建真正光線追蹤場景所需的光線而產生的一些視覺問題。這些仍然保留用于預渲染的屏幕截圖和電影，高性能服務器可以花費數天時間渲染單幀。