竇樂(lè)

從像素游戲到2D游戲再到3D游戲，玩家們對(duì)于游戲視覺(jué)享受的追求永無(wú)止境，只有更好而沒(méi)有最好。2018年下半年開始，NVIDIA GeForce RTX顯卡面世，伴生著一項(xiàng)堪稱偉大的游戲效果也進(jìn)入了普及階段，那就是RealTime Ray Tracing（實(shí)時(shí)光線追蹤），俗稱“光追”。光追，也成為現(xiàn)今玩家們經(jīng)常掛在嘴邊的熱門字眼。但不得不說(shuō)，對(duì)多數(shù)玩家來(lái)說(shuō)，對(duì)于什么是光追，光追游戲到底有怎樣的效果等問(wèn)題，仍然一知半解。今天， MC就帶你徹底走進(jìn)光追，解析RTX顯卡到底給玩家們帶來(lái)了怎樣具有震撼性的游戲效果。

2018年8月底，伴隨著GeForce RTX2080 Ti等顯卡的發(fā)布，它成為了游戲顯卡歷史上有史以來(lái)“最”快的顯卡，可以在幾乎所有的大型游戲中提供4K@60fps以上的游戲體驗(yàn)。而且不止如此，RTX顯卡還包括了一系列前瞻性的技術(shù)，這些新技術(shù)的加入也展現(xiàn)出了擁有改變未來(lái)PC游戲規(guī)則的潛質(zhì)。不但提高了視覺(jué)擬真度，引入了更為逼近現(xiàn)實(shí)的圖形顯示效果，而且還進(jìn)一步提升了性能。按照NVIDIA的規(guī)劃，圖靈顯卡這一系列新“黑科技”的引入，是對(duì)當(dāng)今顯卡行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的一次巨大改進(jìn)與改善，在已有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，RTX顯卡將其發(fā)揮到了極致——這就是RTX光線追蹤、人工智能以及高級(jí)著色器。而對(duì)游戲玩家們來(lái)說(shuō)，RTX光線追蹤就是能帶來(lái)最直觀游戲體驗(yàn)升級(jí)的秘密武器。

實(shí)時(shí)光線追蹤簡(jiǎn)析

Ray Tracing光線追蹤其實(shí)在本質(zhì)上算是一種渲染技術(shù)，它可以通過(guò)渲染物理結(jié)構(gòu)的物體上準(zhǔn)確的反射、折射、陰影、間接照明以及遮蔽等效果，來(lái)逼真地模擬實(shí)際場(chǎng)景及其對(duì)象的照明狀況。光線追蹤的基本原理就是通過(guò)追蹤來(lái)自攝像機(jī)（或人眼，也就是視覺(jué)進(jìn)入場(chǎng)景的視角），穿過(guò)二維觀看平面（像素成像平面），進(jìn)入真實(shí)的3D場(chǎng)景并再返回光源的光路，并由此生成PC端顯示的圖形圖像。當(dāng)光線穿過(guò)3D場(chǎng)景時(shí)，大概率情況下光線可能從一個(gè)物體反射到另一個(gè)物體上（反射效果），或者是被物體阻擋（產(chǎn)生陰影效果），或是穿過(guò)透明或半透明的物體（產(chǎn)生折射效果）等。所有這些因光線與物體的相互作用而產(chǎn)生的不同效果被組合在一起，最終會(huì)產(chǎn)生包含不同顏色和像素的物體實(shí)際照明狀況，然后將其顯示在屏幕上對(duì)玩家輸出。而光線追蹤之所以選擇人眼或攝像機(jī)到光源的這種反向跟蹤過(guò)程，是因?yàn)樗雀檹墓庠丛诙鄠€(gè)方向上發(fā)出的所有光線要高效得多。

光線追蹤在很早之前就已經(jīng)出現(xiàn)，并且出現(xiàn)過(guò)好幾個(gè)具有代表性的算法流派之爭(zhēng)（MC將另外以單獨(dú)的文章為大家解析其中的技術(shù)細(xì)節(jié)），但其應(yīng)用的主要領(lǐng)域仍然是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，包括非實(shí)時(shí)光線追蹤（如電影、電視等場(chǎng)景的渲染）以及實(shí)時(shí)光線追蹤（主要是游戲視頻）兩大陣地，而對(duì)于玩家們來(lái)說(shuō)，游戲場(chǎng)景中所使用的實(shí)時(shí)光線追蹤正是與自己切身相關(guān)的，也是NVIDIA GeForce RTX顯卡的“黑科技”之_。

其實(shí)從最初的算法被提出到現(xiàn)在的幾十年來(lái)，光線追蹤一直是電腦圖形領(lǐng)域的旗幟與“圣典”，因?yàn)樗哂歇?dú)特的功能，可以為屏幕上輸出的一切圖形圖像提供最接近現(xiàn)實(shí)情況的擬真度。但在之前，對(duì)所有這一領(lǐng)域的研究者們來(lái)說(shuō)都存在一個(gè)超級(jí)大難題：要獲得高質(zhì)量的渲染結(jié)果，每幀需要進(jìn)行數(shù)百萬(wàn)次甚至更多的光線追蹤運(yùn)算操作，并且每次光線追蹤操作都必須計(jì)算光線與物體撞擊的內(nèi)容以及這種交互如何影響渲染場(chǎng)景的外觀。這種龐大的計(jì)算量在很大程度上影響了CPU的效率與占用率，以至于電腦和服務(wù)器都需要極其巨大的處理能力才能創(chuàng)建復(fù)雜的效果和虛擬世界，導(dǎo)致的結(jié)果就是我們?cè)陔娨暪?jié)目或電影中看到一個(gè)簡(jiǎn)短的采用光線追蹤渲染的場(chǎng)景都可能需要好幾天的時(shí)間才能渲染出來(lái)。

不過(guò)GeForce RTX顯卡的出現(xiàn)改變了這一狀況，基于GPU加速的NVIDIA RTX平臺(tái)的發(fā)布，并推出了具有專用RT內(nèi)核的GeForce RTX和QuadroRTX GPU，從而迅速加速了電影級(jí)光線追蹤的VFX鏡頭和影視世界的創(chuàng)建。但是在游戲領(lǐng)域，事情卻還有所相同：實(shí)時(shí)播放的游戲畫面（至少每秒30幀），并且玩家可以隨時(shí)更改游戲中的視角、場(chǎng)景或游戲內(nèi)容。這就需要GPU每時(shí)每刻都提供超高的運(yùn)算量，而這也必然會(huì)導(dǎo)致游戲幀率有較大幅度的下降，而且現(xiàn)有的消費(fèi)級(jí)GPU、CPU的功耗狀況與計(jì)算能力都不足以提供所有場(chǎng)景、物體的實(shí)時(shí)光線追蹤渲染效果。因此，需要一種與之前都不同的渲染方法，在這種方法中，實(shí)時(shí)光線跟蹤計(jì)算可以對(duì)游戲的擬真度提供充分的保障，但同時(shí)又不會(huì)使游戲?qū)嶋H幀率過(guò)慢。所以NVIDIA在最初就提出了混合渲染的方法——即對(duì)選定的物體與效果進(jìn)行實(shí)時(shí)光線追蹤計(jì)算，以為開發(fā)人員多年來(lái)精心制作的高保真光柵化世界（也就是傳統(tǒng)3D渲染）添加逼真的照明、陰影和反射效果。最終，結(jié)果是大幅提升了圖像質(zhì)量，而且保證游戲過(guò)程仍可以保持在流暢的幀率標(biāo)準(zhǔn)以上，讓玩家在可玩的幀率下享受更加身臨其境、逼真的游戲體驗(yàn)，這就是NVIDIA GeForce RTX顯卡帶來(lái)的光追效果。

那么說(shuō)了光追的基本原理，可能有玩家會(huì)問(wèn)，光追效果在游戲中到底是怎樣體現(xiàn)的？我從哪些方面能夠感受到光追的效果呢？下面，MC就為大家解答這一疑惑！

RTX光追特效之反射

代表游戲：《戰(zhàn)地V》《控制》《重生邊緣》《看門狗：軍團(tuán)》等

在RTX顯卡將實(shí)時(shí)光線追蹤的反射效果帶到游戲中來(lái)之前，對(duì)PC游戲環(huán)境來(lái)說(shuō)，可用的最佳反射技術(shù)就是將屏幕空間反射（SSR）與靜態(tài)環(huán)境貼圖結(jié)合使用，但對(duì)于任何游戲開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，無(wú)論代碼編寫與算法多么出色，實(shí)際上都不可能克服其局限性。例如，“屏幕空間反射”只能顯示屏幕對(duì)象（也就是那些在每幀畫面的其他部分中已經(jīng)可見(jiàn)的對(duì)象）的反射。實(shí)際上，任何應(yīng)反射的屏幕外（包括視覺(jué)視線以及攝像機(jī)后面）的內(nèi)容都將被“偽造”為低分辨率的立方體貼圖。該立方體貼圖是應(yīng)用于表面（例如大樓窗戶）的預(yù)先生成的反射圖像。

立方體貼圖的局限性在于，它們只能代表從場(chǎng)景中的單個(gè)點(diǎn)觀察到的反射環(huán)境，因此雖然可以對(duì)大型反射對(duì)象產(chǎn)生擬真度很高的物理效果，但是呈現(xiàn)出的反射結(jié)果卻顯得呆板與單調(diào)，甚至同一反射被復(fù)制到不同位置的多個(gè)窗口中，這是一種靜態(tài)的反射效果，而不管當(dāng)玩家的視線發(fā)生變化時(shí)，實(shí)際場(chǎng)景就完全不同的情況。

盡管確實(shí)有一些技術(shù)可以根據(jù)附近物體與環(huán)境的出現(xiàn)來(lái)定期更新立方體貼圖，但是它們?nèi)匀粺o(wú)法克服該技術(shù)的固有問(wèn)題——因此仍然缺乏顯示人物、車輛或?qū)嶋H移動(dòng)效果的能力。而SSR的另一個(gè)主要問(wèn)題是渲染的反射效果不能顯示被遮擋的細(xì)節(jié)，比如當(dāng)一個(gè)大物體位于另一個(gè)物體的后面一樣，實(shí)際上在真實(shí)的反射環(huán)境中這應(yīng)該是可見(jiàn)的部分，但是在SSR中卻無(wú)法體現(xiàn)。此外，當(dāng)玩家移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)視線，或者玩家離所反射的表面或物體太近時(shí)，反射物消失的問(wèn)題還存在，這都是因?yàn)橐从车募?xì)節(jié)無(wú)法進(jìn)行追蹤處理。

為了渲染出最擬真的反射效果，GeForce RTX顯卡所支持的光追特效從攝像機(jī)或肉眼可見(jiàn)到的表面“投射光線”，當(dāng)這些光線與物體對(duì)象或物體曲面相碰撞時(shí)，交點(diǎn)處的詳細(xì)信息就將和許多其他的交匯光線與碰撞面的許多信息一起用于創(chuàng)建反射效果。而且，為了創(chuàng)建更為逼真的效果，RTX光追特效考慮了每個(gè)對(duì)象目標(biāo)物體與表面的屬性，以便確定這種表面是否可以反射、是否吸收光線、是粗糙還是光滑以及是否透明等等。同時(shí)，在RTX顯卡光追特效下，每個(gè)物體表面的反射物信息都是實(shí)時(shí)可變的，會(huì)隨著場(chǎng)景的物體變化或額外物理效果的產(chǎn)生而進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，比如在《戰(zhàn)地v》中我們就可以看到車身的漆面反射出爆炸火光從產(chǎn)生到消失的完整過(guò)程。同時(shí)，在RTX顯卡的實(shí)時(shí)光追反射效果下，菲涅爾反射效果會(huì)得到完美的重現(xiàn)，根據(jù)視線角度的差異會(huì)帶來(lái)不一樣的反射物渲染結(jié)果，這一切跟實(shí)際環(huán)境狀況非常接近。但如果沒(méi)有實(shí)時(shí)光線追蹤和RTX光追特效技術(shù)的加持，你看到的反射面或許就是完全一樣的，每一個(gè)反射在所有點(diǎn)上都會(huì)異常的明亮。

RTX光追特效之漫反射全局光照

代表游戲：《地鐵：離去》《控制》《我的世界》等

GeForce RTX GPU的實(shí)時(shí)光線追蹤功能的另外一個(gè)主要特效體現(xiàn)在于能夠更準(zhǔn)確地模擬場(chǎng)景中表面反射光的效果，從而使游戲開發(fā)人員能夠在游戲中添加“基于光線追蹤的漫反射全局光照”。所謂“全局光照”，它描述的是場(chǎng)景中所有光相互作用的過(guò)程，包括直射光從一個(gè)表面反射到另一個(gè)表面所產(chǎn)生的間接影響等。在RTX實(shí)時(shí)光線追蹤特效面世之前，這一效果通常是通過(guò)預(yù)先計(jì)算的光照貼圖、基于圖像的光探測(cè)功能、反射陰影貼圖以及場(chǎng)景預(yù)設(shè)的虛擬燈光來(lái)綜合實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制光照效果。但這些技術(shù)的應(yīng)用有幾個(gè)缺點(diǎn)，其中最大的缺點(diǎn)就是動(dòng)態(tài)光照無(wú)法反彈或照亮超出照明范圍的區(qū)域。舉個(gè)例子說(shuō)，假設(shè)有一個(gè)黑暗的房間，明亮的光線透過(guò)窗戶照進(jìn)來(lái)。使用傳統(tǒng)技術(shù)，所有直接被燈光照射的東西都會(huì)被照亮，但是被照亮的區(qū)域本身不會(huì)反射光線，也無(wú)法照亮周圍的游戲元素，而實(shí)際的情況是被光線直接照亮的物體會(huì)通過(guò)反射來(lái)照亮周圍的元素，這就是漫反射全局光照。

通過(guò)RTX顯卡的光線跟蹤，現(xiàn)在能夠更準(zhǔn)確地對(duì)場(chǎng)景中表面的一個(gè)或多個(gè)間接反射所反射的動(dòng)態(tài)間接漫射光照進(jìn)行建模，從而使游戲開發(fā)人員能夠使用更真實(shí)的間接照明來(lái)制作動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，并隨著燈光的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。換句話說(shuō)，光線會(huì)自然反射，照亮物體并照亮周圍的細(xì)節(jié)。而且如果太陽(yáng)移動(dòng)或窗簾打開，那么房間的照明就會(huì)發(fā)生實(shí)際變化，使您能夠以全新的視角看到房間。

借助實(shí)時(shí)的“光線追蹤漫反射全局光照”，游戲開發(fā)人員現(xiàn)在可以創(chuàng)新性地制作出逼真的、適當(dāng)照明的游戲世界，這些世界可以對(duì)照明變化和物體的幾何形狀變化做出動(dòng)態(tài)反應(yīng)。這在《地鐵：離去》《控制》《我的世界》等游戲中尤其明顯，尤其是在《控制》中，變形級(jí)別會(huì)從根本上影響場(chǎng)景的照明，從而完全改變其外觀。

RTX光追特效之環(huán)境光遮蔽

代表游戲：《地鐵：離去》《使命召喚：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)》等

環(huán)境光遮蔽（AO）是一種用于在物體或表面遮擋環(huán)境光（例如巖石周圍）的地方添加接觸陰影的技術(shù)。這樣可以防止物體看起來(lái)好像是漂浮在表面上，并使整體場(chǎng)景看起來(lái)更真實(shí)和地面化。在此之前，同類AO的首選解決方案是NVIDIA自家的HBAO+，它在性能和擬真度上大大超越了SSAO。但歸根結(jié)底，HBAO+仍然是—種屏幕空間技術(shù)，因此無(wú)法渲染出屏幕外和隱藏的細(xì)節(jié)。

使用RTX光線追蹤環(huán)境光遮蔽（RTAO），可以大大提高質(zhì)量和準(zhǔn)確性，它能夠渲染屏幕外的細(xì)節(jié)和隱藏的細(xì)節(jié)（例如桌子的底面），從而使場(chǎng)景更加真實(shí)?！碍h(huán)境光遮蔽”對(duì)于場(chǎng)景的沉浸感和真實(shí)感的重要性經(jīng)常被玩家忽略——因?yàn)樗幌穹瓷浠虮ㄐЧ菢雍甏蠖鋸?，也不像玩家角色的陰影那樣可以立即引起注意。但是，如果沒(méi)有它，一切看起來(lái)都會(huì)是“關(guān)閉”的——比如裝甲的折痕處將沒(méi)有陰影，兩個(gè)墻相接處不會(huì)有黑暗的角落，而且所有的東西看起來(lái)似乎都漂浮在其他表面的頂部。

RTX光追特效之陰影

代表游戲：《古墓麗影：暗影》《使命召喚：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)》等

陰影效果相信玩家們都不會(huì)陌生。而事實(shí)上，近些年來(lái)，PC游戲陰影已經(jīng)走了很長(zhǎng)一段路，添加了許多功能，使它們更接近于復(fù)制現(xiàn)實(shí)世界中的陰影外觀。在光追陰影效果之前，游戲開發(fā)人員基本都需要謹(jǐn)慎地平衡傳統(tǒng)陰影貼圖的屬性，以最大程度地提高準(zhǔn)確性，平衡細(xì)節(jié)和查看距離，同時(shí)避免陰影混疊、陰影粉刺（錯(cuò)誤的自陰影）和陰影分離（無(wú)法與陰影的基礎(chǔ)部位完全連接）等問(wèn)題。即使被稱為最接近真實(shí)效果的NVIDIA HFTS混合視角錐體陰影技術(shù)，也和所有其他光柵化陰影技術(shù)一樣，都是一些巧妙編程的技巧的集合，以嘗試模擬真實(shí)陰影的外觀。

而在使用RTX光線追蹤技術(shù)后，這些問(wèn)題不再是一個(gè)問(wèn)題。取而代之的是，RTX光追陰影會(huì)在整個(gè)場(chǎng)景上投射數(shù)百萬(wàn)條光線，以真實(shí)地說(shuō)明遮擋光線的角色、物體和樹葉等，這應(yīng)該是游戲發(fā)展史上第一次真正產(chǎn)生如此逼真的陰影效果。而且，除了添加精確的陰影之外，RTX光追陰影技術(shù)還可以支持大型復(fù)雜的交互，實(shí)時(shí)半透明陰影以及大量其他技術(shù)，其詳細(xì)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了以前可能實(shí)現(xiàn)的水平。特別的是，RTX光追效果使開發(fā)人員可以使用面光源，從而導(dǎo)致更大的半影投射和物理效果上正確的接觸硬化，從而使陰影在靠近投射對(duì)象時(shí)變得更清晰。而在《古墓麗影：暗影》《使命召喚：現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)》等游戲中，玩家們可以清楚地看到RTX光追陰影帶來(lái)的好處。

表面反射、陰影，環(huán)境光遮蔽和漫反射全局光照，這些特效都可以通過(guò)RTX光線追蹤實(shí)現(xiàn)。而到現(xiàn)在為止，已經(jīng)有數(shù)十款已經(jīng)發(fā)售或即將發(fā)售的游戲?qū)崿F(xiàn)了對(duì)光線追蹤效果的支持，這也為玩家們提供了前所未有的擬真度、保真度和沉浸感。如果你想首先接觸未來(lái)游戲的擬真特效，從RTX光追效果開始無(wú)疑是最合適的做法。