人类光影技术的里程碑 RTX 光线追踪技术解析

    NVIDIA在8月20日的科隆游戏展前发布会上，正式揭晓了全新一代基于“图灵”架构的20系游戏显卡。针对图形性能，NVIDIA带来了革命性的改进，引入了实时光线追踪技术。如果你是一名发烧级游戏玩家，在忍受多年传统光栅化渲染技术虚虚实实的折磨后，一定会喜欢NVIDIA全新实时光线追踪技术带来的真实画面效果，因为二者在游戏画面展现上的差距有着天渊之别。

颠覆性的技术革新

    实时光线追踪技术对于很多游戏玩家来说或许非常生涩，但放在游戏体验中我们可以这么理解，3D大型游戏凭借超现实的游戏环境被玩家所追捧，双眼直观感受到的游戏画面比传统2D游戏更加丰富，这主要归功于设计师精湛的3D建模技术让人物、山水变得拟真度极高，但不管游戏发展的趋势，我们切实能够感受的都只能呈现在显示器平面上，开发者需要通过复杂的转换将3D游戏场景转化为2D画面，这就需要画面内每一个物品都和真实环境相似，具备阴影等效果。

    每一位沉浸在游戏画面中的玩家都会慢慢发现游戏世界中的体验效果并不真实。至于假到什么程度？可能我们经过某处，物体表现的渲染没有任何变化或者直接被突如其来的大量人物阴影直接遮盖。四周环境也不会因你的到来而发生丝毫的变化，该亮的地方依旧很亮，该暗的地方却没有变暗。

    换言之也就是整个游戏内的一切可能出现的阴影都是提前设计好的，只会因玩家的出现而增加，但不会随玩家的移动而改变。游戏世界的环境都是设计时固定的，并不会因为玩家角色的变化而随之变化。

传统光栅化渲染

    光栅化渲染其实将一个3D图形的几何信息转变为一个个栅格组成的2D图像的过程，可以理解为在这个3D图形的每个点都包含有颜色、深度以及纹理数据，经过一系列计算变换后，将其转换为2D图像的像素，进而呈现在显示设备上。

    这一过程也就构成了我们视觉所看到的各类阴影效果以及光线投射，直白地说，游戏的设计者结合环境说一个物体这里有阴影，并基于这样的观点进行计算，进而呈现在游戏画面中，我们看到的这一物体就会有一块非常逼真的阴影，达到逼真的视觉效果。

    如果开发者的判断是对的，那么画面上的效果也就是对的，但是游戏开发者只能做到无限接近于真实状态，并不能保证这就是真实的效果。反之，如果开发者的判断是错误的，在不可能出现阴影的地方有了阴影，作为观看者的我们也没有任何办法。

    所以说光栅化技术有非常明显的缺陷，因为它是一个骗人的技术。

    随着游戏产业的发展，几乎每一款3A级游戏大作都为玩家构建了一个非常完整的世界。但不管是之前的游戏还是现在的游戏，玩家的行为越来越不可控，任何一个单独的角落、不是正常途径的路线都能成为玩家经过之地。这种行为对于设计师或者开发者而言，是极大的开发压力，因为没有人可以将所有玩家途径的区域全部考虑在内。

    如果对游戏场景进行限制又会让游戏丧失自由度。通常的处理方式是考虑尽可能多的环境场景，规定GPU在这些特定的场景下进行特定的光栅化渲染，产生阴影等视觉效果。

    它的局限性在于，当我们途径一块并不是规定的区域或角度有所偏差的时候，物体的光栅化渲染效果并不会改变，依旧是设定好的效果呈现。

    造成的结果也就是在体验游戏的过程中，看到的一切画面其实都是提前设定好的，看似真实，但总是会有瑕疵。

视觉真实的光线追踪

    标准化的光线追踪（raytracing）是以光源为起点定义光线，进而追踪由此产生的光线与物体表面以及光线与光线之间交互关系的过程。但该技术目前实现起来非常困难，因为这一技术需要无限多的光线照射在物体表面，通过反射、折射、漫射等途径进入最终的“摄像机”成像。这一过程需要耗费大量的算力（当前PC的计算能力无法做到）且会有大量光线损失，此次NVIDIA推出的RTX 20系显卡包括现在绝大多数光线追踪技术采用的都是逆向思维，即以“摄像机”镜头为出发点，反向回溯光线并通过这些光线寻找光源。

    可以理解为RTX的光线追踪是人为定义了射入摄像机的光线总量，通过回溯这些光线反射后以寻找光源，每一个交汇结果都可以被作为是回溯过程中招惹到的光源所发射的光线与物体作用的结果，找不到就丢弃。

    这样做的好处在于光线关系的起点是摄像机，这就造成光线关系与场景可视的几何信息存在高度的关联性和可遍历性，也就是所有进入不了视野的光线都将被认为的剔除。

    另外，光线的实际范围被约束在了可视场景内，方便光线在回溯过程中的排序以及遍历，光线的处理过程既可以跟shader过程结合，也可以透过direct compute单独拿出来做独立数学步骤，就像deferred shading一样。

    这样做会极大的加速整个追踪和交汇检查过程的效率，我们可以看做是手解高阶方程与使用计算机处理的差别。

    当然，他的缺点也是不容忽视的，比如这类实时光线追踪并不是从光源出发，而是从视角的角度出发，无法做到对真实的光线进行真实的遍历，人为规定了光线的数量以回溯光线的过程，也就意味着整个过程脱离不开人为定义，错误的干扰依旧是不精确甚至错误的主要原因。但总的来说，实时光线追踪技术可以让玩家体验到更加真实的游戏场景，光线决定了物体表现的最终纹理，在体验游戏真实性上是一次巨大的技术革新。

RTX光线追踪技术

    很多人都说实时光线追踪追了这么多年还是追不上，但此次NVIDIA RTX的实时光线追踪可以认为是历史上距离真实最接近的一次，在未来数年内甚至引领显卡行业的发展。这类说法可能不完全正确，但RTX在实时光线追踪技术上的突破的确具有划时代意义。

    我们以10W束标准自然光线的场景遍历举例，平均每道光线进行3次交互检查，大概需要100T的DP算力。而基于DXR环境下的光线追踪。以16T的SP算力实现100G束光线的单次交汇检查，这个运算效率的提升的颠覆性的。它将天生与缓存体系敌对的光线追踪过程重新拉回现有渲染流水能够控制的范围内，让现有流水线能够处理本来无法完成的过程。

    而且效果也是明显的，虽然这个RT是人为规定的反向回溯，但反向回溯也是回溯，一旦正确回溯到光源，那这条光线就是真实正确的，它与物体之间的所有交互关系所产生的颜色、亮度甚至透视度等变化都将是符合自然规律的，这比光栅化渲染的人为定义光源结果要正确得多。可以说RTX的实时光线追踪技术以及与最终形态的光线追踪技术近乎接近。

还原真实视觉体验

    以上就是我们对NVIDIA RTX的实时光线追踪技术的一次简单解析，我们可以看到，全新的光线追踪技术对于整个游戏产业带来翻天覆地的改变，随着9月20日的临近，想必会有更多游戏大作开始支持实时光线追踪技术，与往常我们一直深受游戏设计开发者预设好的“欺骗式”画面体验不同，实时光线追踪技术会将所有游戏爱好者带到一片与真实环境无太大差别的世界中，甚至我们可以通过游戏画面感受到与真实世界相同的视觉体验。

    另外，实时光线追踪在未来绝不仅仅局限于游戏市场，由于光线追踪的算法与现实的真实世界物理规则几乎一致，也就是在构建画面的过程中具备了巨大的优势。在可预期的未来，实时光线技术将大幅改善实时3D图像的质量，光线效果也将更加真实精准，最重要在于光线追踪技术突破了渲染的限制，实现了实时光线效果，在传统渲染引擎面前复杂的图像处理问题也将迎刃而解，变得更加高效简易。

本文编辑：刘国亮

关注泡泡网，畅享科技生活。