NVIDIA在8月20日的科隆游戲展前發(fā)布會上，正式揭曉了全新一代基于“圖靈”架構的20系游戲顯卡。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(fā)燒級游戲玩家，在忍受多年傳統(tǒng)光柵化渲染技術虛虛實實的折磨后，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，因為二者在游戲畫面展現(xiàn)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于很多游戲玩家來說或許非常生澀，但放在游戲體驗中我們可以這么理解，3D大型游戲憑借超現(xiàn)實的游戲環(huán)境被玩家所追捧，雙眼直觀感受到的游戲畫面比傳統(tǒng)2D游戲更加豐富，這主要歸功于設計師精湛的3D建模技術讓人物、山水變得擬真度極高，但不管游戲發(fā)展的趨勢，我們切實能夠感受的都只能呈現(xiàn)在顯示器平面上，開發(fā)者需要通過復雜的轉(zhuǎn)換將3D游戲場景轉(zhuǎn)化為2D畫面，這就需要畫面內(nèi)每一個物品都和真實環(huán)境相似，具備陰影等效果。

每一位沉浸在游戲畫面中的玩家都會慢慢發(fā)現(xiàn)游戲世界中的體驗效果并不真實。至于假到什么程度？可能我們經(jīng)過某處，物體表現(xiàn)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(huán)境也不會因你的到來而發(fā)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。

換言之也就是整個游戲內(nèi)的一切可能出現(xiàn)的陰影都是提前設計好的，只會因玩家的出現(xiàn)而增加，但不會隨玩家的移動而改變。游戲世界的環(huán)境都是設計時固定的，并不會因為玩家角色的變化而隨之變化。

傳統(tǒng)光柵化渲染

光柵化渲染其實將一個3D圖形的幾何信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€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(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列計算變換后，將其轉(zhuǎn)換為2D圖像的像素，進而呈現(xiàn)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，游戲的設計者結(jié)合環(huán)境說一個物體這里有陰影，并基于這樣的觀點進行計算，進而呈現(xiàn)在游戲畫面中，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(fā)者的判斷是對的，那么畫面上的效果也就是對的，但是游戲開發(fā)者只能做到無限接近于真實狀態(tài)，并不能保證這就是真實的效果。反之，如果開發(fā)者的判斷是錯誤的，在不可能出現(xiàn)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。

隨著游戲產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，幾乎每一款3A級游戲大作都為玩家構建了一個非常完整的世界。但不管是之前的游戲還是現(xiàn)在的游戲，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(jīng)過之地。這種行為對于設計師或者開發(fā)者而言，是極大的開發(fā)壓力，因為沒有人可以將所有玩家途徑的區(qū)域全部考慮在內(nèi)。

如果對游戲場景進行限制又會讓游戲喪失自由度。通常的處理方式是考慮盡可能多的環(huán)境場景，規(guī)定GPU在這些特定的場景下進行特定的光柵化渲染，產(chǎn)生陰影等視覺效果。

它的局限性在于，當我們途徑一塊并不是規(guī)定的區(qū)域或角度有所偏差的時候，物體的光柵化渲染效果并不會改變，依舊是設定好的效果呈現(xiàn)。

造成的結(jié)果也就是在體驗游戲的過程中，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(chǎn)生的光線與物體表面以及光線與光線之間交互關系的過程。但該技術目前實現(xiàn)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(xiàn)在絕大多數(shù)光線追蹤技術采用的都是逆向思維，即以“攝像機”鏡頭為出發(fā)點，反向回溯光線并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后以尋找光源，每一個交匯結(jié)果都可以被作為是回溯過程中招惹到的光源所發(fā)射的光線與物體作用的結(jié)果，找不到就丟棄。

這樣做的好處在于光線關系的起點是攝像機，這就造成光線關系與場景可視的幾何信息存在高度的關聯(lián)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，光線的實際范圍被約束在了可視場景內(nèi)，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(jié)合，也可以透過direct compute單獨拿出來做獨立數(shù)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并不是從光源出發(fā)，而是從視角的角度出發(fā)，無法做到對真實的光線進行真實的遍歷，人為規(guī)定了光線的數(shù)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，錯誤的干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游戲場景，光線決定了物體表現(xiàn)的最終紋理，在體驗游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么多年還是追不上，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(shù)年內(nèi)甚至引領顯卡行業(yè)的發(fā)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。而基于DXR環(huán)境下的光線追蹤。以16T的SP算力實現(xiàn)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(xiàn)有渲染流水能夠控制的范圍內(nèi)，讓現(xiàn)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(guī)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(chǎn)生的顏色、亮度甚至透視度等變化都將是符合自然規(guī)律的，這比光柵化渲染的人為定義光源結(jié)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(tài)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于整個游戲產(chǎn)業(yè)帶來翻天覆地的改變，隨著9月20日的臨近，想必會有更多游戲大作開始支持實時光線追蹤技術，與往常我們一直深受游戲設計開發(fā)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游戲愛好者帶到一片與真實環(huán)境無太大差別的世界中，甚至我們可以通過游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于游戲市場，由于光線追蹤的算法與現(xiàn)實的真實世界物理規(guī)則幾乎一致，也就是在構建畫面的過程中具備了巨大的優(yōu)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(zhì)量，光線效果也將更加真實精準，最重要在于光線追蹤技術突破了渲染的限制，實現(xiàn)了實時光線效果，在傳統(tǒng)渲染引擎面前復雜的圖像處理問題也將迎刃而解，變得更加高效簡易。