GDC之后，Epic进一步阐述实时光线追踪渲染的重要性

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本文来自于Ken Pimentel

（映维网 2018年05月23日）在GDC 2018大会上，我们一睹了实时渲染与光线追踪的结合。与英伟达和工业光魔一道，Epic向我们展示了实时渲染的一大进步。

在离线渲染器中，光线追踪一直用于实现图片级真实效果，尤其是包含大量反射和复杂半透明材料（如厚玻璃）的场景。利用多家技术公司的努力，Unreal引擎将在2018年底支持微软的DXR API和光线追踪区域光影。Epic希望在4.22版本中正式提供支持。

1. 为什么说这十分重要呢？

渲染器倾向于使用这两种方法来确定像素颜色：光栅化或光线追踪。光栅化从一个特定像素开始，并询问“这个像素应该是什么颜色？”；光线追踪则在视角和光源起作用，并询问：“光线在做什么？”

光线追踪的工作原理是：追踪光线在场景内的反射路径。光线每次反射的时候，它都会通过沉积早前对象的颜色来模拟现实生活中的光线，同时损失强度。对于特定类型的材料与效果而言，这种颜色的沉积使得清晰的反射，以及细微，逼真的颜色变化只能通过光线追踪来实现。

由于它模仿光线的真实行为，光线追踪同时擅长于产生区域阴影和环境遮挡。

相反，光栅化比光线追踪更快，成本更低，只是通过一些近似值计算照明。Unreal的光栅化技术在一枚高速GPU上以毫秒为单位提供4K分辨率帧。栅格化可以非常逼近照片级别真实感，同时不一定是物理上精确。另外对于大多数Unreal引擎的用户来说，速度的提升显得非常值得。

但对于更强调照片级真实感而非性能的真人实景电影和建筑可视化项目而言，光线追踪则显得更有优势。到目前为止，由于其巨大的计算需求，光线追踪仅在离线渲染中实施。使用光线追踪计算的场景可能需要几分钟到几个小时才能计算出一个帧，而电影动画的一秒需要24帧才能填充完成。

Epic Games的高级渲染程序员胡安·简拿达（Juan Canada）表示：“传统而言，制作管道已经以多种方式使用光线追踪。即使项目组计划通过光栅渲染来以高分辨率实现实时渲染，他们也有可能通过光线追踪来渲染静态画面和动画以作为参考，为艺术家提供一个渲染目标或比较。”

“如果光线追踪可以实时完成，这种参考渲染就可以更快，意味着他们只需几次迭代即可完成目标，而不是花费几个小时或几天时间来渲染图像。”

加拿大补充说，光线追踪“令整个制作管道更容易控制，因为你可以更轻松地获取最终的结果。”

2. 技术

借助最新的GPU和机器学习技术，我们可以汇集海量的计算能力，实现实时光线追踪。尽管硬件和软件的结合尚未开放，而且需要多家企业的共同努力才得以实现。

Windows开发者已经十分熟悉微软的DirectX API，而微软在最近更是开发了全新的DXR框架。与此同时，英伟达推出了可在NVIDIA Volta架构GPU上运行的光线追踪技术：NVIDIA RTX。英伟达已经与微软达成了合作，通过微软DXR API来提供全面的RTX支持。

3. 演示作品

对于GDC 2018大会，Epic着手创建了一个用于展示实时光线追踪潜能的作品，他们与英伟达的光线追踪专家和卢卡斯影业旗下的工业光魔进行了合作。

为了制作这个演示作品，团队从工业光魔的高质量参考素材开始，首先创建了必要的模型。从暴风兵盔甲上的细小划痕到普拉斯马队长斗篷的编织图案，美工详细再现了每一个细节。材质的制作方式使得它们能够自然地对光线做出反应。

布景与拍摄则直接通过Unreal引擎实现。当演员/导演在虚拟现实中表演时，Epic则使用自家的虚拟制作技术来拍摄表演。

这个技术的大部分已经存在于Unreal引擎之中。但现在通过光线追踪，新的效果可以令场景更具真实感。对于普拉斯马队长盔甲上的动态发射，这种弧形镜面状的表面正是光线追踪所实现。

这个名为“Reflections”的演示作品以每秒24帧的速度运行，分辨率为1080P。反射，环境遮挡，以及来自纹理区域照明的阴影的计算则是实时进行光线追踪。借助光线追踪技术，诸如柔和阴影和光滑反射这样原本十分具有挑战性的效果显得十分自然，大大提高了场景的真实感。

Epic团队与英伟达的工程师进行了合作，利用多种技术来实现实现光线追踪，包括去噪和减少反射细节。他们早在GDC 2018就已经进行过深入的探讨与解释。

4. 未来

对于最初的版本，Unreal引擎的渲染器将把目光放在用光栅渲染进行模拟十分具有挑战性，但通过光线追踪却十分直接明了的流程。

加拿大指出：“我们将开始集成部分在GDC大会中展示的功能，比如通过光线追踪来实现精确的区域阴影…我们将添加允许我们渲染其他效果的新组建，并且不断前进。”

这对电影制作的未来意味着什么？多年来，光线追踪技术来一直用于电影和建筑可视化，并已成为产生照片级真实感的标准。这种图像可能需要数小时的脱机渲染器工作才能实现，但现在借助Unreal引擎实时光线追踪，你将可以实时渲染这种图像。

这意味着导演，艺术家和设计师将能够更快地进行迭代，并尝试新的照明场景和相机角度。最终，它可以降低制作成本，并使得制作更具交互性的内容成为可能。

对于GDC大会上的“Reflections”演示，工作人员需要为DGX Station工作站配备四个采用了NVIDIA RTX技术的Volta GPU。就目前而言，你需要类似的功率才能利用实时光线追踪。在未来，摩尔定律将能降低这项技术的成本和复杂性。DXR性能与分辨率有关，就像脱机渲染一样，但由于Unreal引擎仍在执行自己的渲染，所以性能将非常依赖于场景。

尽管“Reflections”演示需要一台相当强大的硬件，但Epic认为这仅仅只是第一步。目前，英伟达提供了用于实时光线追踪演示的支持硬件，而AMD同样宣布将在某个时候提供DXR驱动程序。

Epic企业工程总监塞巴斯蒂恩·米格里奥（Sebastien Miglio）说道：“我们将继续努力，使其更加轻量化和易于使用。这还处于初期阶段，但我们预计光线追踪不用多久就能支持任何一个工作室中的普通PC。”

米格里奥继续指出：“Reflections的努力表明了Epic致力于引领未来，不仅仅只是游戏，包括需要高保真沉浸式体验的所有领域。Unreal引擎很久以前就设定了保真度和性能的标准。现在通过DXR，我们将这个标准提高到了更高的水平。Unreal引擎的用户可以放心，他们将以最直接的方式走向未来。”

5. Unreal Studio

Unreal引擎中的光线追踪可能尚需等待数个月的时间，但你现在可以利用实时光栅渲染。为了帮助你入门，Epic推出了一个把CAD数据导入Unreal引擎的工具集：Unreal Studio

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