人類光影技術的裡程碑 RTX 光線追蹤技術解析
2025-06-11 08:57:10
NVIDIA在8月20日的科隆遊戲展前發布會上，正式揭曉了全新一代基於「圖靈」架構的20系遊戲顯卡。針對圖形性能，NVIDIA帶來了革命性的改進，引入了實時光線追蹤技術。如果你是一名發燒級遊戲玩家，在忍受多年傳統光柵化渲染技術虛虛實實的折磨後，一定會喜歡NVIDIA全新實時光線追蹤技術帶來的真實畫面效果，因為二者在遊戲畫面展現上的差距有著天淵之別。
顛覆性的技術革新
實時光線追蹤技術對於很多遊戲玩家來說或許非常生澀，但放在遊戲體驗中我們可以這麼理解，3D大型遊戲憑藉超現實的遊戲環境被玩家所追捧，雙眼直觀感受到的遊戲畫面比傳統2D遊戲更加豐富，這主要歸功於設計師精湛的3D建模技術讓人物、山水變得擬真度極高，但不管遊戲發展的趨勢，我們切實能夠感受的都只能呈現在顯示器平面上，開發者需要通過複雜的轉換將3D遊戲場景轉化為2D畫面，這就需要畫面內每一個物品都和真實環境相似，具備陰影等效果。
每一位沉浸在遊戲畫面中的玩家都會慢慢發現遊戲世界中的體驗效果並不真實。至於假到什麼程度？可能我們經過某處，物體表現的渲染沒有任何變化或者直接被突如其來的大量人物陰影直接遮蓋。四周環境也不會因你的到來而發生絲毫的變化，該亮的地方依舊很亮，該暗的地方卻沒有變暗。
換言之也就是整個遊戲內的一切可能出現的陰影都是提前設計好的，只會因玩家的出現而增加，但不會隨玩家的移動而改變。遊戲世界的環境都是設計時固定的，並不會因為玩家角色的變化而隨之變化。
傳統光柵化渲染
光柵化渲染其實將一個3D圖形的幾何信息轉變為一個個柵格組成的2D圖像的過程，可以理解為在這個3D圖形的每個點都包含有顏色、深度以及紋理數據，經過一系列計算變換後，將其轉換為2D圖像的像素，進而呈現在顯示設備上。
這一過程也就構成了我們視覺所看到的各類陰影效果以及光線投射，直白地說，遊戲的設計者結合環境說一個物體這裡有陰影，並基於這樣的觀點進行計算，進而呈現在遊戲畫面中，我們看到的這一物體就會有一塊非常逼真的陰影，達到逼真的視覺效果。
如果開發者的判斷是對的，那麼畫面上的效果也就是對的，但是遊戲開發者只能做到無限接近於真實狀態，並不能保證這就是真實的效果。反之，如果開發者的判斷是錯誤的，在不可能出現陰影的地方有了陰影，作為觀看者的我們也沒有任何辦法。
所以說光柵化技術有非常明顯的缺陷，因為它是一個騙人的技術。
隨著遊戲產業的發展，幾乎每一款3A級遊戲大作都為玩家構建了一個非常完整的世界。但不管是之前的遊戲還是現在的遊戲，玩家的行為越來越不可控，任何一個單獨的角落、不是正常途徑的路線都能成為玩家經過之地。這種行為對於設計師或者開發者而言，是極大的開發壓力，因為沒有人可以將所有玩家途徑的區域全部考慮在內。
如果對遊戲場景進行限制又會讓遊戲喪失自由度。通常的處理方式是考慮儘可能多的環境場景，規定GPU在這些特定的場景下進行特定的光柵化渲染，產生陰影等視覺效果。
它的局限性在於，當我們途徑一塊並不是規定的區域或角度有所偏差的時候，物體的光柵化渲染效果並不會改變，依舊是設定好的效果呈現。
造成的結果也就是在體驗遊戲的過程中，看到的一切畫面其實都是提前設定好的，看似真實，但總是會有瑕疵。
視覺真實的光線追蹤
標準化的光線追蹤（raytracing）是以光源為起點定義光線，進而追蹤由此產生的光線與物體表面以及光線與光線之間交互關係的過程。但該技術目前實現起來非常困難，因為這一技術需要無限多的光線照射在物體表面，通過反射、折射、漫射等途徑進入最終的「攝像機」成像。這一過程需要耗費大量的算力（當前PC的計算能力無法做到）且會有大量光線損失，此次NVIDIA推出的RTX 20系顯卡包括現在絕大多數光線追蹤技術採用的都是逆向思維，即以「攝像機」鏡頭為出發點，反向回溯光線並通過這些光線尋找光源。
可以理解為RTX的光線追蹤是人為定義了射入攝像機的光線總量，通過回溯這些光線反射後以尋找光源，每一個交匯結果都可以被作為是回溯過程中招惹到的光源所發射的光線與物體作用的結果，找不到就丟棄。
這樣做的好處在於光線關係的起點是攝像機，這就造成光線關係與場景可視的幾何信息存在高度的關聯性和可遍歷性，也就是所有進入不了視野的光線都將被認為的剔除。
另外，光線的實際範圍被約束在了可視場景內，方便光線在回溯過程中的排序以及遍歷，光線的處理過程既可以跟shader過程結合，也可以透過direct compute單獨拿出來做獨立數學步驟，就像deferred shading一樣。
這樣做會極大的加速整個追蹤和交匯檢查過程的效率，我們可以看做是手解高階方程與使用計算機處理的差別。
當然，他的缺點也是不容忽視的，比如這類實時光線追蹤並不是從光源出發，而是從視角的角度出發，無法做到對真實的光線進行真實的遍歷，人為規定了光線的數量以回溯光線的過程，也就意味著整個過程脫離不開人為定義，錯誤的幹擾依舊是不精確甚至錯誤的主要原因。但總的來說，實時光線追蹤技術可以讓玩家體驗到更加真實的遊戲場景，光線決定了物體表現的最終紋理，在體驗遊戲真實性上是一次巨大的技術革新。
RTX光線追蹤技術
很多人都說實時光線追蹤追了這麼多年還是追不上，但此次NVIDIA RTX的實時光線追蹤可以認為是歷史上距離真實最接近的一次，在未來數年內甚至引領顯卡行業的發展。這類說法可能不完全正確，但RTX在實時光線追蹤技術上的突破的確具有劃時代意義。
我們以10W束標準自然光線的場景遍歷舉例，平均每道光線進行3次交互檢查，大概需要100T的DP算力。而基於DXR環境下的光線追蹤。以16T的SP算力實現100G束光線的單次交匯檢查，這個運算效率的提升的顛覆性的。它將天生與緩存體系敵對的光線追蹤過程重新拉回現有渲染流水能夠控制的範圍內，讓現有流水線能夠處理本來無法完成的過程。
而且效果也是明顯的，雖然這個RT是人為規定的反向回溯，但反向回溯也是回溯，一旦正確回溯到光源，那這條光線就是真實正確的，它與物體之間的所有交互關系所產生的顏色、亮度甚至透視度等變化都將是符合自然規律的，這比光柵化渲染的人為定義光源結果要正確得多。可以說RTX的實時光線追蹤技術以及與最終形態的光線追蹤技術近乎接近。
還原真實視覺體驗
以上就是我們對NVIDIA RTX的實時光線追蹤技術的一次簡單解析，我們可以看到，全新的光線追蹤技術對於整個遊戲產業帶來翻天覆地的改變，隨著9月20日的臨近，想必會有更多遊戲大作開始支持實時光線追蹤技術，與往常我們一直深受遊戲設計開發者預設好的「欺騙式」畫面體驗不同，實時光線追蹤技術會將所有遊戲愛好者帶到一片與真實環境無太大差別的世界中，甚至我們可以通過遊戲畫面感受到與真實世界相同的視覺體驗。
另外，實時光線追蹤在未來絕不僅僅局限於遊戲市場，由於光線追蹤的算法與現實的真實世界物理規則幾乎一致，也就是在構建畫面的過程中具備了巨大的優勢。在可預期的未來，實時光線技術將大幅改善實時3D圖像的質量，光線效果也將更加真實精準，最重要在於光線追蹤技術突破了渲染的限制，實現了實時光線效果，在傳統渲染引擎面前複雜的圖像處理問題也將迎刃而解，變得更加高效簡易。
本文編輯：劉國亮
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