什么是光线追踪？看这一篇就够了！

光线追踪是一种给图形带来真实外观的技术，一个高质量的显卡可以使用光线追踪让用户身临其境，该技术试图以与真实世界相同的方式显示光线。

虚拟光子

图形技术解释起来通常很晦涩，但是光线追踪很容易理解。它试图模拟光在现实世界中的工作方式。光线追踪没有为游戏场景创建预先设计的光线，而是追踪模拟光的路径，更确切地说，是追踪数以百万计的模拟光/光子。当物体移动并与它们的属性相互作用时，光线会从物体上反射回来。比如光从光滑的绿色表面反射，那么光的颜色可能会改变。

这就是现实生活中光的工作原理。一个光粒子从它的原点爆发出来并一直传播，直到它与一个物体相互作用，在这一点上，它的路径是由这个物体的属性决定的。它可能被一个密度大、颜色暗的物体吸收，或者几乎完全被镜子反射。

光线追踪与现实生活的基本相似性使得它成为一种非常逼真的3D渲染技术，甚至使得像《我的世界》这样的块状游戏在适当的条件下看起来都非常逼真。只是有一个问题:它很难模拟。再现光的实际工作方式是复杂的，而且很耗资源，这需要大量的计算能力。即使Nvidia的光线追踪渲染也不是真正的光线追踪，每个光线点都是模拟的。相反，它使用了许多巧妙的近似以提供接近相同的视觉效果，但对算力要求可以低得多。

现在，大多数光线追踪游戏都结合了传统技术(通常称为光栅化)和特定表面上的光线追踪技术，比如反光水坑和金属制品。《战地5》就是一个很好的例子。你可以看到军队在水中的倒影，飞机上的地形的倒影，以及汽车油漆上爆炸的倒影。在现代3D引擎中显示反射是可能的，但在不启用光线追踪的情况下，无法达到《战地5》等游戏中显示的细节水平。

光线跟踪也可以用于阴影，使物体看起来更动态逼真。在《古墓丽影》中你会看到这种效果。

光线追踪可以在黑暗和明亮的场景中创建更真实的阴影，具有更柔和的边缘和更清晰的定义。在没有光线追踪的情况下实现这种效果是非常困难的。开发者只能通过小心地使用预设光线来“伪装”它。这需要花费大量的时间和精力——即使这样，结果也不尽如人意。

有些游戏会完全使用光线追踪来实现全局照明，有效追踪整个场景。但这是最昂贵的，需要最强大的显卡才能有效运行。Metro Exodus目前使用了这种方法，但是实现上并不完美。

正因为如此，像光线追踪阴影或反射表面这样的折中方法很受欢迎。还有一些人利用Nvidia的技术（如去噪和深度学习超级采样）来提高性能，并掩盖一些视觉上的问题，这些问题是由于渲染的光线比创建真正的光线跟踪场景所必需的光线要少。那些保留给预渲染的屏幕截图和电影，即使用高性能的服务器也需要花几天时间才能渲染单帧。

光线追踪所需硬件

为了实现这些相对简单的光线跟踪，Nvidia的RTX显卡加入了专门为光线跟踪构建的硬件。图灵架构使用了该公司的RT核心实现实时处理技术，它们对于光线跟踪来说并不是必需的，因为光线跟踪效果可以在GTX 10系列和16系列显卡上运行，尽管它们的能力远远低于顶级RTX卡，如2070、2080和2080 Ti。

Nvidia在4月份发布了生成MetroExodus单帧的分解，展示了渲染管道是如何布局的，以及它如何受到光线追踪的影响。对于非光线追踪游戏，RTX 2080和GTX 1080 Ti的性能可能大致相当，但当光线追踪应用于场景时，1080 Ti在没有专用RT内核的情况下生成相同的图像所需的时间要长得多。

这就是为什么即使是最强大的GTX显卡，如1080Ti，在光线追踪游戏分辨率超过1080p的情况下，都很难实现。但是RT内核并不是万能药，即使是拥有最多RT内核的最强大的消费类显卡2080Ti，在像《战地V》或《Metro Exodus》这样的游戏中，分辨率1440p光线追踪被启用下，也很难达到每秒60帧或更高的速度。而这个显卡在光线跟踪没有启用时能够交付的最高帧率为4K。

但实际上英伟达的光线追踪方法并不是唯一的选择。还有重新塑造的“路径跟踪”后处理可以提供类似的视觉效果，而没有任何类似的性能冲击。

不管实现方式如何，您仍然需要一个强大的显卡来进行光线跟踪。随着这种技术在游戏开发人员中的流行，我们可能会看到更多的支持硬件以更便宜的价格出现。

AMD方案

事实上，AMD显卡不提供任何光线追踪加速功能，但这并不意味着他们做不到，而且也不会永远保持这种状态。Crytek在2019年发布了一款名为Neon Noir的演示，它展示了一款售价300美元的AMD RX Vega 56的高级光线追踪效果，运行速度为每秒30帧。这很难说是性能一流，但它至少表明了实现的可能性。

RX 5700 XT和Radeon VII要比Vega 56快得多，而且可以提供更好的帧速率。当AMD在2020年下半年推出传闻已久的“大Navi”显卡时，毫无疑问将会变得更好。据报道，它也将支持硬件加速光线追踪；目前还不清楚它是否会以Nvidia的RT内核的方式工作，或者将被设计为提供更广泛的游戏光线追踪。

我们还希望在微软和索尼的下一代游戏机上看到硬件加速的光线追踪。这两种系统都将使用AMD的Navi图形技术，因此，在2020年后期，Navi将成为主流的光线追踪GPU。

如何在家里使用光线追踪？

首先要做的是获得Nvidia显卡，因为目前公开的光线追踪游戏都需要它。如果你只想看到光线追踪场景是什么样子，任何RTX或GTX显卡都可以。但是如果你想玩分辨率高于1080p同时帧速率接近或超过60 FPS，你最好选择承受范围内最强大的显卡。并不一定要选择超过1000美元的2080 Ti，但是RTX 2060 Super或2070可能是一个基准（花费在350到550美元之间）。

至于游戏，可供选择的项目仍然非常有限。在最早的RTX演示游戏中仍然可以找到功能最全面的光线追踪实现，比如《战地V》、《古墓丽影》和《Metro Exodus》，像《控制》和《MechWarrior 5:佣兵》这样的新游戏看起来也很不错。《Stay in the Light》是一款全新的独立恐怖游戏，它完全基于光线追踪的反射和阴影，现在你也可以使用RTX光线追踪来玩一款重新定位的《雷神2》。

原文链接：https://www.digitaltrends.com/computing/what-is-ray-tracing/

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