什么是光线追踪，为什么它将是CG领域的一次重大升级

文章相关引用及参考：techradar

不久将来触及游戏领域的重要升级

（映维网 2018年03月28日）现代游戏的视觉质量相当惊人。在过去，我们在每一代主机和显卡身上都看到了巨大的变化。但近年来这种情况已经发生改变，因为游戏不再像以往那样更多专注于提供更多的多边形，而是把重点放在细小但十分有意义的升级上，比如纹理质量，分辨率，照明和视觉效果等等。

光线追踪似乎又是一个看似细小但有可能在不久将来触及游戏领域的重要升级。

你可能会问，什么是光线追踪。这一种在场景中渲染光线和阴影的更先进和更逼真的方式，是电影和电视节目用来创建融合真实场景的优秀CG作品的方法。缺点是光线追踪通常需要大量的服务器群来预先渲染图形。对于你家中PC所运行实时交互式游戏而言，这样的要求显然不可想象。

延伸阅读：解读GDC三个Unreal作品，照片级真实感，实时图形渲染，下一代游戏和电影

但现在一切都已经不同。在今年的GDC大会上，AMD、英伟达和微软都宣布了最终令游戏支持实时光线追踪的计划，这意味着我们将能见证更为惊艳的视觉效果，更为身临其境的游戏世界。下面映维网将向大家介绍这项代表着下一个图形跃进的技术。

1. 什么是光线追踪？

光线追踪这种渲染技术可以产生令人难以置信的逼真照明效果。从本质上讲，算法可以追踪光线路径，然后模拟光线与虚拟对象相互作用的方式。

近年来游戏内的照明效果已经变得越来越逼真，但光线追踪的优势更多的是在于光线世界交互的方式。

光线追踪可以实现更为逼真的阴影和反射效果，同时还可以大大改善半透明度和散射。这种算法将以类似于人眼处理真实光线，阴影和反射的方式来考虑光线击中的位置，并计算其中的交互和相互影响。光线击中对象的方式也会影响你所看到的颜色。

有了足够的计算能力，我们就有可能制作令人难以置信的逼真CG影像，制作出几乎与现实别无二致的影像。但这正是问题所在：即便是装备精良的游戏PC，其GPU性能也是仅此而已，更不用说当前的游戏主机。

光线追踪广泛用于电影和电视节目所制作的计算机图形图像，但这是由于工作室可以利用整个服务器群（或云计算）的力量。即便如此，这可能是一个漫长而艰辛的过程。对于现有的游戏硬件来说，实时执行光线追踪的要求显得十分过分。

相反，游戏主要是利用光栅化，一种渲染计算机图形的更快速方法。它能够把3D图形转换为2D像素以显示在屏幕上，但光栅化需要着色器描绘合理逼真的照明效果。

最终的结果不如光线追踪那么自然或逼真。单项技术的优势可能不会令人感到兴奋，但结合起来将能真正提升交互式游戏世界的真实感。

2. 谁在研发光线追踪呢？

微软是光线追踪研发领域的大头，因为这家公司已经为DirectX 12 API带来了DirectX Raytracing（DXR）。他们创建了用于在世界中引入和计算光线的结构，并支持开发者开始尝试使用这项技术，探索游戏引擎的可能性。

但微软并非孤身一人：微软一直在与大型游戏厂商和游戏引擎厂商合作，力图把光线追踪带到PC游戏世界。艺电（EA）的Frostbite和SEED引擎将兼容这项技术，同时还包括十分流行的Unreal引擎。

由于实验性的DXR SDK现在已经上线，所以创作者已经可以马上开始尝试。

把光线追踪带到游戏需要强大的GPU性能，所以毫无疑问，英伟达同样加入了竞赛。这家公司的RTX技术利用了他们在图形算法和GPU领域的多年成果，而且英伟达同时正在与微软的DXR API进行紧密合作，以帮助开发者加快速度。

英伟达表示：“电影级别的算法”和GameWorks API的更新将能以前所未有的真实感提供照明、反射、阴影和相关效果。当然，英伟达即将推出的Volta级别GPU将同样兼容光线追踪。

AMD同样不甘人后。他们尚未公布太多的信息，但已经宣布ProRender渲染引擎和Radeon GPU Profiler 1.2可以实现“实时光线追踪”。然而，AMD的公告似乎表明他们目前没有把重点更多地放在游戏身上，而是专注于通过光线跟踪和光栅化的组合来优化开发者的工作流程和结果。

3. 憧憬的未来

尽管AMD似乎尚未完全把注意力放在游戏领域，但相信游戏世界将从类似的组合方法入手。正如微软的官博表示，DirectX Raytracing将“补充当前的渲染技术”。

换句话说，光线追踪将能带来光栅化所不具备的优点，但不会完全取代后者。即便是明天的GPU大概都无法完全满足要求。不过，光线追踪将成为游戏开发者的又一项工具，而随着时间的推移它的重要性将日渐凸显。

微软表示，光线追踪将在“未来数年”获得更多光栅化所不具备的优点，包括全局照明。微软指出：“最终，光线追踪可能完全取代光栅化，并作为渲染3D场景的标准算法。”

那可能相当遥远，但这是朝着正确方向迈出的重要一步。英伟达的最新技术演示表明，Remedy Entertainment（Quantum Break）和Epic Games（Fortnite）等厂商已经在全面学习光线追踪，并开始提供令人嗔目结舌的结果。

在不久的将来，我们有可能会看到光线追踪开始出现在运行在高端GPU上的游戏（如Nvidia的Volta系列），有可能是2018年下半年。当然，一切都是未知之数。

但就目前而言，我们一直所憧憬的未来已经出现在地平线上，而这令人感到异常兴奋。交互式世界的图形保真度已经越来越接近电影银幕上的惊艳CGI效果，而光线追踪正为这一过程搭建桥梁。