什么是光线追踪，它将如何改变游戏？ | ENBLE
光线追踪及其游戏改变 | ENBLE
光线追踪是一种为游戏带来更高级别逼真度的光照技术。它模拟了光线在现实世界中的反射和折射方式，提供了比传统游戏中使用静态照明更真实可信的环境。但光线追踪究竟是什么？更重要的是，它是如何工作的？
一张好的显卡可以使用光线追踪来增强沉浸感，但并非所有GPU都能处理这种技术。请继续阅读，以确定光线追踪对您的游戏体验是否必不可少，以及是否值得花费数百美元升级GPU来支持光线追踪。
虚拟光子
要理解光线追踪的革命性光照系统是如何工作的，我们需要回顾一下以前游戏是如何渲染光线的，以及为了实现逼真的体验需要模拟什么。
没有光线追踪的游戏依赖于静态的“烘焙式”照明。开发人员在环境中放置光源，使其均匀地向任何给定视图发出光线。此外，虚拟模型（如NPC和物体）不包含有关其他模型的任何信息，因此GPU需要在渲染过程中计算光线行为。表面纹理可以反射光线以模拟光泽，但只能反射来自静态光源的光线。以下面《侠盗猎车手V》中的反射为例。
总体而言，GPU的进化使这个过程在多年来的外观上变得更加逼真，但从真实世界的反射、折射和一般照明来看，游戏仍然不是逼真的。为了实现这一点，GPU需要追踪虚拟光线的能力。
在现实世界中，可见光是人眼感知到的电磁辐射家族中的一小部分。它包含行为既像粒子又像波动的光子。光子没有真正的大小或形状，它们只能被创建或销毁。
也就是说，光可以被认定为光子流。光子越多，感知到的光线越亮。当光子撞击表面时发生反射。当光子（沿直线行进）通过透明物质并且光线被“弯曲”时发生折射。被销毁的光子可以被视为“吸收”。
在游戏中，光线追踪试图模拟光线在现实世界中的工作方式。它通过跟踪数百万个虚拟光子的路径来追踪模拟光线。光线越亮，GPU需要计算的虚拟光子就越多，它将反射、折射和散射到更多的表面上。
这个过程并不新鲜。计算机图形学（CGI）几十年来一直使用光线追踪，尽管在早期需要使用计算机群来生成完整的电影，因为单个画面可能需要数小时甚至数天来渲染。现在，家庭PC可以实时模拟光线追踪图形，利用硬件加速和巧妙的照明技巧来限制光线数量。
这是真正令人惊叹的地方：与任何电影或电视节目一样，CGI动画中的场景通常使用不同的角度“拍摄”。对于每一帧，您可以移动相机来捕捉动作，放大、缩小或平移整个区域。就像动画一样，您必须逐帧操纵所有内容以模拟运动。将所有镜头拼接在一起，就有了一个连贯的故事。
在游戏中，您控制一个始终在运动且视角始终在变化的摄像机，尤其是在快节奏的游戏中。在CGI和光线追踪的游戏中，GPU不仅必须计算光线在任何给定场景中的反射和折射方式，还必须计算它是如何被镜头（您的视角）捕捉到的。对于游戏来说，这对于单个PC或游戏机来说是一项巨大的计算工作。
不幸的是，我们仍然没有能够以高帧率真正渲染光线追踪图形的消费级PC。相反，我们现在有的硬件可以有效地作弊。
让我们实际一些
光线追踪与现实生活的基本相似性使其成为一种极其逼真的三维渲染技术，甚至在适当的条件下，使像《我的世界》这样的方块游戏看起来几乎逼真。只是有一个问题：它非常难以模拟。重新创建光线在现实世界中的工作方式是复杂且资源密集的，需要大量的计算能力。
这就是为什么像Nvidia的RTX驱动的光线追踪这样的现有选项在游戏中并不真实。它们并不是真正的光线追踪，即模拟每个光点。相反，GPU通过使用几个智能逼近来“作弊”，以提供接近相同视觉效果但对硬件负担较小的东西。
大多数光线追踪游戏现在使用传统照明技术（通常称为光栅化）和在特定表面上的光线追踪，例如反射的水坑和金属制品。《战地5》就是一个很好的例子。你可以在水中看到部队的倒影，飞机上的地形的倒影，以及汽车漆面上爆炸的倒影。现代3D引擎可以显示反射，但当启用光线追踪时，无法达到《战地5》等游戏所显示的那种细节水平。
光线追踪还可以用于阴影，使其更具动态性和逼真度。你将在《古墓丽影：暗影》中看到这种效果的巧妙运用。
光线追踪照明可以在黑暗和明亮的场景中创建更加逼真的阴影，边缘更加柔和，定义更高。在没有光线追踪的情况下实现这种效果非常困难。开发者只能通过谨慎、有控制地使用预设的静态光源来模拟它。放置所有这些“舞台灯光”需要很多时间和精力——即使这样，结果也不完全正确。
有些游戏会全面使用光线追踪来实现全局照明，实际上是对整个场景进行光线追踪。但这是计算上最昂贵的选择，需要最强大的现代显卡才能有效运行。《地铁：离乡》就使用了这种技术，尽管实现并不完美。
因此，只追踪阴影或反射表面等半成品选项非常流行。其他游戏利用Nvidia的技术，如去噪和深度学习超采样，以提高性能并掩盖渲染较少光线时产生的一些视觉问题。这些仍然是预渲染的截图和电影的专用，高功率服务器可以花费数天来渲染单帧。
光线追踪背后的硬件
为了处理即使是这些相对较小的光线追踪实现，Nvidia的RTX 20系列显卡引入了专门为光线追踪而构建的硬件。
现在，所有的RTX卡都支持光线追踪，而最新的RTX 40系列GPU在性能上又有了另一种提升的方式。SER（Shader Execution Reordering）在RTX 4090和RTX 4080上可用，Nvidia表示它可以在光线追踪游戏中提升25%的性能。它通过重新排序GPU处理光线追踪指令的时间，优化可用的计算能力。
尽管光线追踪的早期阶段很困难，但Nvidia的最新显卡表现更好。随着下一代的SER和DLSS 3的到来，我们可能会看到不会拖慢帧率的光线追踪。Nvidia的新DLSS 3.5还承诺通过光线重建来增强光线追踪。
Nvidia的光线追踪方法并不是唯一可选的方法。还有Reshade的“路径追踪”后处理效果，可以提供相似的视觉效果，而不会对性能造成类似的影响。
AMD现在也有光线追踪的选项，我们接下来会谈到。
无论实现方式如何，你仍然需要一张强大的显卡来进行光线追踪，但随着这种技术在游戏开发者中的普及，我们可能会看到更广泛的支持硬件以更实惠的价格。
尽管光线追踪主要集中在个人电脑上，但它正在开始进入其他设备。苹果最近宣布，iPhone 15的A17 Bionic芯片能够进行硬件加速的光线追踪，包括在游戏中。
AMD怎么样？
在过去几年中，AMD一直在努力提供硬件加速的光线追踪，但随着RX 6800、6800 XT和6900 XT的推出，情况发生了变化。这些新卡支持DirectX 12光线追踪，并提供出色的性能，即使在光线追踪部分，AMD还不及Nvidia的水平（请阅读我们的RX 6800 XT对比RTX 3080和RX 6900 XT对比RTX 3090的文章了解更多信息）。
这并不令人意外，考虑到驱动AMD RX 6000系列显卡的Big Navi架构实际上是首代光线追踪加速技术。这个架构也被用于PlayStation 5和Xbox Series X的视觉效果，总体性能属于较低档次，不如Nvidia的旗舰显卡。然而，由于光线追踪是下一代游戏主机的突出特点，我们预计未来会有更好的支持和优化。在不久的将来，我们将看到面向游戏PC的AMD FidelityFX Super Resolution（FSR）的首次亮相，以及最新版本的微软Xbox。
如何在家中体验光线追踪？
要在家中体验光线追踪，您需要一张较新且昂贵的显卡。硬件加速的光线追踪仅适用于Nvidia的RTX系列显卡或AMD的RX 6000系列显卡。GTX 10系列和16系列显卡支持光线追踪，但缺乏RT核心使其舒适地可玩。
如果您希望以1080p以上的分辨率和60 fps或更高的帧率进行游戏，您最好选择一张顶级显卡。在4K分辨率下，RTX 3080和RX 6800 XT是最出色的显卡，但如果您愿意在某些游戏中降低到1440p，也可以选择RTX 3070或RX 6800。
目前光线追踪游戏的选择有限，但数量不断增加。光线追踪的典型例子包括早期的RTX演示，如《战地V》、《古墓丽影：暗影》和《流亡者：离域之战》。像《Control》和《机甲战士5：雇佣兵》这样的较新游戏也具有吸引力。《Stay in the Light》是一款使用光线追踪阴影和反射效果构建的独立恐怖游戏。经过重新制作的《雷神之锤II》配备了RTX光线追踪，是另一个很好的例子。
市场上的光线追踪游戏较少，但行业正在增长。随着PlayStation 5和Xbox Series X开始推广光线追踪，竞争对手很快也会效仿。多平台游戏《看门狗2》与新游戏《看门狗：军团》不同，因为新游戏已经启用了光线追踪，可以在游戏主机和电脑上运行。
尝试使用UL Benchmark的Port Royal光线追踪来确定您的电脑是否支持光线追踪。
