OTT 解釋：什麼是光線追踪？

已發表: 2020-05-01

光線追踪是一種先進的計算機圖形學形式，可以模擬光在現實生活中的工作方式。它可以創建看起來真正逼真的計算機圖形。

過去，光線追踪僅限於大型計算機圖形項目，例如好萊塢 CG 電影。現在它出現在 PC 遊戲中，很快就會出現在下一代遊戲機中。

為了理解為什麼這讓這麼多人興奮，我們需要將光線追踪圖形與迄今為止一直使用的主流圖形渲染方法進行比較：光柵化。

光柵化與光線追踪

現代實時計算機圖形看起來很棒！很難想像它與二十或三十年前的基本 3D 圖形有什麼關係。事實上，像 Playstation 1 和當前的 Playstation 4 這樣的控制台使用相同的基本方法來渲染 3D 圖形，然後將其放到 2D 屏幕上。

這稱為光柵化。 “光柵”是顯示為像素網格的圖像，這正是您的屏幕顯示的內容。 光柵化是將 3D 場景轉換為屏幕上的 2D 圖像的過程。

這需要完成，因為 3D 場景是 3D 的。它具有深度，因此虛擬對象可以相互移動並從任何角度觀看。在光柵化的過程中，如果你的屏幕基本上是進入那個 3D 世界的窗口，計算機必須弄清楚那個場景會是什麼樣子。

在現實生活中，場景具有紋理和光照，以及形狀、深度和大小。由於模擬光傳統上比任何家用計算機都需要更多的計算機能力，因此程序員已經創造了技巧和捷徑來使用這種光柵化過程創建看起來接近真實光、顏色和紋理的東西。

一方面，光線追踪要簡單得多。它沒有嘗試使用一長串的技巧來創造真實的光感，而是模擬真實的光線。現在，當計算機必須弄清楚通過屏幕的“窗口”看到的場景會是什麼樣子時，它只需要運行光線追踪模擬就可以了。

在現實世界中，進入您眼睛的光線在到達您的視網膜之前已經從您正在查看的所有其他物體上反射回來。光線追踪以更有效的方式實現了相同的結果。它通過從“相機”拍攝模擬的“光線”並讓它在虛擬場景周圍反彈，在途中獲取顏色和亮度信息來做到這一點。您的屏幕代表虛擬眼睛，因此您可以看到一個真正逼真的虛擬世界。

通過使用光線追踪，單一技術可以創建看起來真實的場景中的對象、反射、陰影和其他元素。這種真實感是模擬的自然結果，不需要任何技巧或捷徑！

如果您想看到光線追踪的實際效果，您所要做的就是觀看任何使用計算機生成圖形的現代電影。如果您觀看 CG 電影，例如《玩具總動員 4》，您所看到的一切都是光線追踪的產物。

如果您想探索交互式光線追踪世界，目前城裡只有一款遊戲。 RTX 系列 Nvidia GPU，以及支持該技術的視頻遊戲和應用程序。您可以使用非 RTX 硬件運行一些光線追踪應用程序，但不會獲得良好的性能。請務必查看我們關於展示 RTX 硬件的最佳遊戲的文章。

問題是 RTX 硬件仍然相當昂貴。然而，下一代視頻遊戲機支持光線追踪。這意味著主流遊戲世界可能有助於將光線追踪轉變為下一個主要的遊戲技術。儘管如此，如果實時進行光線追踪如此困難，那麼這些新的 GPU 是如何管理它的呢？

任何計算機都可以使用光線追踪渲染 3D 場景。使用 3D 渲染包的人已經做了很多年了。任何現代 CPU 都可以執行追踪場景周圍光線路徑所需的實際計算。

然而，現代 CPU 和 GPU 無法快速處理這些數字以實時生成圖像。例如，用於製作《怪物公司》或《玩具總動員》等電影的大型計算機農場需要數小時才能渲染最終產品的單幀。

相比之下，現代視頻遊戲需要每秒至少生成 30 幀圖像才能被認為是可玩的，目前黃金標准設定在每秒 60 幀左右。

那麼像 Nvidia RTX 系列這樣的 GPU 如何能夠以可播放的幀速率使用光線追踪方法呢？答案是他們不會對所有事情都使用光線追踪。至少在現代標題中沒有。

訣竅是將傳統圖形與選擇性光線追踪相結合。 RTX 卡具有專用的光線追踪硬件，位於更傳統的 GPU 上。這樣，光線追踪可以用來彌補傳統圖形硬件的一些不足。

您可以使用完全光線追踪的 RTX 卡玩一些視頻遊戲。最好的例子是 Quake II RTX。這是一款已有數十年曆史的視頻遊戲，它非常簡單，可以實現完整的實時光線追踪。然而，當談到將純光線追踪應用到當前的視頻遊戲時，這種硬件成為主流還需要幾年的時間。

簡短的回答是肯定的，光線追踪是未來。更長的答案是，隨著使實時光線追踪成為可能的硬件變得更便宜，我們可能會看到它逐漸取代傳統的渲染。如果光線追踪圖形成為新一代控制台的正常組成部分，那麼就沒有回頭路了。

開發人員可以安全地在其作品中包含光線追踪功能，因為所有流行的平台都會支持它。由於光線追踪圖形非常出色，因此明星們確實在為光線追踪在經濟實惠的硬件上的到來而努力。這意味著真正的寫實主義可能終於出現了。

光線追踪將成為主流渲染方法的另一個主要標誌是它現在如何被包含在開發人員用於製作視頻遊戲和其他 3D 應用程序的常用工具中。換句話說，開發人員不再需要發明自己的光線追踪解決方案。

Unreal Engine 4 或 Frostbite 等流行的圖形引擎現在包括對 RTX 硬件加速光線追踪的支持。使開發人員更有可能將其作為其標題的選項。

在撰寫本文時，我們仍處於第一代光線追踪硬件的階段。雖然價格有所下降，但性能仍然相當平庸。如果您是鐵桿的早期採用者，那麼 PC 上的光線追踪有很多值得您喜歡的地方。

如果您不願意花費數百或數千美元作為早期採用者，最好投資於承諾採用該技術的下一代主流遊戲機，或者等待 RTX 20 系列顯卡的繼任者。