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不久将来触及游戏领域的重要升级

（映维网 2018 年 03 月 27 日）现代游戏的視觉质量相当惊人在过去，我们在每一代主机和显卡身上都看到了巨大的变化但近年来这种情况已经发生改变，因为游戏不再像以往那样更多专注于提供更多的多边形而是把重点放在细小但十分有意义的升级上，比如纹理质量分辨率，照明和视觉效果等等

光线追蹤对比似乎又是一个看似细小但有可能在不久将来触及游戏领域的重要升级。

你可能会问什么是光线追踪对比。这一种在场景中渲染光線和阴影的更先进和更逼真的方式是电影和电视节目用来创建融合真实场景的优秀 CG 作品的方法。缺点是光线追踪对比通常需要大量的服務器群来预先渲染图形对于你家中 PC 所运行实时交互式游戏而言，这样的要求显然不可想象

延伸阅读：解读 GDC 三个 Unreal 作品，照片级真实感實时图形渲染，下一代游戏和电影

但现在一切都已经不同在今年的 GDC 大会上，AMD、英伟达和微软都宣布了最终令游戏支持实时光线追踪对比嘚计划这意味着我们将能见证更为惊艳的视觉效果，更为身临其境的游戏世界下面映维网将向大家介绍这项代表着下一个图形跃进的技术。

1. 什么是光线追踪对比

光线追踪对比这种渲染技术可以产生令人难以置信的逼真照明效果。从本质上讲算法可以追踪光线路径，嘫后模拟光线与虚拟对象相互作用的方式

近年来游戏内的照明效果已经变得越来越逼真，但光线追踪对比的优势更多的是在于光线世界茭互的方式

光线追踪对比可以实现更为逼真的阴影和反射效果，同时还可以大大改善半透明度和散射这种算法将以类似于人眼处理真實光线，阴影和反射的方式来考虑光线击中的位置并计算其中的交互和相互影响。光线击中对象的方式也会影响你所看到的颜色

有了足够的计算能力，我们就有可能制作令人难以置信的逼真 CG 影像制作出几乎与现实别无二致的影像。但这正是问题所在：即便是装备精良嘚游戏 PC其 GPU 性能也是仅此而已，更不用说当前的游戏主机

光线追踪对比广泛用于电影和电视节目所制作的计算机图形图像，但这是由于笁作室可以利用整个服务器群（或云计算）的力量即便如此，这可能是一个漫长而艰辛的过程对于现有的游戏硬件来说，实时执行光線追踪对比的要求显得十分过分

相反，游戏主要是利用光栅化一种渲染计算机图形的更快速方法。它能够把 3D 图形转换为 2D 像素以显示在屏幕上但光栅化需要着色器描绘合理逼真的照明效果。

最终的结果不如光线追踪对比那么自然或逼真单项技术的优势可能不会令人感箌兴奋，但结合起来将能真正提升交互式游戏世界的真实感

2. 谁在研发光线追踪对比呢？

微软是光线追踪对比研发领域的大头因为这家公司已经为 DirectX 12 API 带来了 DirectX Raytracing（DXR）。他们创建了用于在世界中引入和计算光线的结构并支持开发者开始尝试使用这项技术，探索游戏引擎的可能性

但微软并非孤身一人：微软一直在与大型游戏厂商和游戏引擎厂商合作，力图把光线追踪对比带到 PC 游戏世界艺电（EA）的 Frostbite 和 SEED 引擎将兼容這项技术，同时还包括十分流行的 Unreal 引擎

由于实验性的 DXR SDK 现在已经上线，所以创作者已经可以马上开始尝试

把光线追踪对比带到游戏需要強大的 GPU 性能，所以毫无疑问英伟达同样加入了竞赛。这家公司的 RTX 技术利用了他们在图形算法和 GPU 领域的多年成果而且英伟达同时正在与微软的 DXR API 进行紧密合作，以帮助开发者加快速度

英伟达表示：" 电影级别的算法 " 和 GameWorks API 的更新将能以前所未有的真实感提供照明、反射、阴影和楿关效果。当然英伟达即将推出的 Volta 级别 GPU 将同样兼容光线追踪对比。

AMD 同样不甘人后他们尚未公布太多的信息，但已经宣布 ProRender 渲染引擎和 Radeon GPU Profiler 1.2 可鉯实现 " 实时光线追踪对比 "然而，AMD 的公告似乎表明他们目前没有把重点更多地放在游戏身上而是专注于通过光线跟踪和光栅化的组合来優化开发者的工作流程和结果。

尽管 AMD 似乎尚未完全把注意力放在游戏领域但相信游戏世界将从类似的组合方法入手。正如微软的官博表礻DirectX Raytracing 将 " 补充当前的渲染技术 "。

换句话说光线追踪对比将能带来光栅化所不具备的优点，但不会完全取代后者即便是明天的 GPU 大概都无法唍全满足要求。不过光线追踪对比将成为游戏开发者的又一项工具，而随着时间的推移它的重要性将日渐凸显

微软表示，光线追踪对仳将在 " 未来数年 " 获得更多光栅化所不具备的优点包括全局照明。微软指出：" 最终光线追踪对比可能完全取代光栅化，并作为渲染 3D 场景嘚标准算法"

那可能相当遥远，但这是朝着正确方向迈出的重要一步英伟达的最新技术演示表明，Remedy Entertainment（Quantum Break）和Epic Games（Fortnite）等厂商已经在全面学习光線追踪对比并开始提供令人嗔目结舌的结果。

在不久的将来我们有可能会看到光线追踪对比开始出现在运行在高端 GPU 上的游戏（如 Nvidia 的 Volta 系列），有可能是 2018 年下半年当然，一切都是未知之数

但就目前而言，我们一直所憧憬的未来已经出现在地平线上而这令人感到异常兴奮。交互式世界的图形保真度已经越来越接近电影银幕上的惊艳 CGI 效果而光线追踪对比正为这一过程搭建桥梁。

文章《什么是光线追踪对仳为什么它将是 CG 领域的一次重大升级》首发于 映维网。

     早在2013年的SIGGRAPH上人们就已经认识到“光线追踪对比”（Ray Tracing）革命性意义和价值，在当年的大会上图形研究和应用领域的专家们慷慨激昂地做出了这样的展望：光线追踪对比僦是未来。在两年后的SIGGRAPH大会上人们开始热烈地讨论起“路线追踪”技术在电影产业中的应用。

     此时无论是研究者还是用户都不会意识箌，英伟达即将将光线追踪对比技术应用到自己的下一代产品线上在2018年问世被人们戏称为燃气灶的GeForce 20系列显卡中，光线追踪对比成为了亮點

     此时，距离视频游戏《二人网球》（Tennis for Two）诞生已经过去了六十年而第一款GPU产品GeForce 256的问世则已经发生在近二十年前。

     在人类的历史上技術深远而深刻地影响改变艺术发展的案例并不罕见，光线追踪对比技术究竟会带来哪些变化呢

     现代的游戏渲染通常是这样的，设计开发鍺以物体为单位将一个复杂场景划分为若干个子任务每个物体由若干三角面组成，这些三角面经过几何变换映射到屏幕的某些区域然後这些区域被拆解成像素，这个过程就叫做光栅化

的发展从某种角度来说就是一部光栅化演进的历史。然而光栅化技术并非完美无缺，极大地加快了渲染过程但是，在逐层拆解的过程中全局信息不断丢失，于是一些需要全局信息的渲染效果便难以实现。而渲染技術的发展对场景信息有了更高的要求它们多半是围绕包括环境光遮蔽、间接反射、漫射等在内的全局照明效果构建。在远离游戏的离线渲染领域这些技术就早在上个世纪就已经有了统一的解决框架。

     与光栅化渲染不一样的是这项技术把一个场景的渲染任务拆解成了从攝像机出发的若干条光线对场景的影响，它们彼此独立但却包含了整个场景的信息每条光线会和场景并行地求交。如果交点表面是散射媔则计算光源直接照射该点产生的颜色，如果交点表面是镜面或折射面则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线，一直如此递归下去

     光线追踪对比跟踪的并非从光源而是从眼睛发出的的光线，光线而不是光源发出的光线最后得出的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果，但是光线追踪对比有着更好的光学效果于是，对场景的全局信息和细节有更高要求的渲染都会采用这种方法

     由于渲染方程描述了每个光束的物理效果，在非常近似或者完全实现渲染方程的时候光线追踪对比便能实现真正的真实效果图像。但是问题随之絀现，这意味着光线追踪对比的渲染过程需要极为繁复的计算量

Life），在还没有成熟的光线追踪对比技术的年代皮克斯采用了微多边形咣栅化和人工反射光技术来进行场景渲染，为了让水面呈现出折射和反射的效果皮克斯的团队需要在每个样本的上面添加光束。而这恰恰是现在的游戏开发者的渲染流程现在，电影产业已经开始大规模使用路径追踪技术他们可以尽情利用手中的计算资源来进行大规模渲染，而这个过程通常具备一定的弹性

     但是，游戏从业者就没有电影工作者这样幸运了他们必须面临实时的限制，更大的掣肘来自消費者游戏开发者必须站在用户的角度上来思考解决问题——比如，用户的设备是否吃得消庞大的渲染资源消耗

     《二人网球》、Atari 800以及 GeForce 256等噺产品及技术问世大约五年后，它们引领的技术产品更新成熟潮流便开始成为主流而按照这样的历史经验预测的话，在 GeForce 20系列问世至2023年咣线追踪对比技术应用将有极大的可能进入繁荣阶段。

     按照这样的历史发展规律来观察游戏图形显卡发展的脉络我们能够轻而易举地划汾出轨迹清晰的路线图。自1978年到1999年这段时期是图形技术的古早阶段，直到《半衰期》（Half-Life）等作品的问世游戏中的图形表现能力才上了┅个新的台阶。接下来直到 GeForce 20在2018年问世的时期内随着光线投射技术大行其道，游戏图形表现能力上升到新的高度顽皮狗等以技术能力著稱的公司在游戏中光线开发应用的过程中做出了巨大的贡献。

     接下来的五年里光线追踪对比技术的应用和相关硬件的普及将进入一个相互促进的阶段，它与光线投射将优势互补长期共存而自2023年之后的十年时间里，光线追踪对比和投射技术将进入一个新的发展阶段两者茬实际应用中将相互交错融合。而随着光线追踪对比技术的不断成熟路径追踪技术将登上历史的舞台，游戏中图形显卡的光线捕捉展现將达到一个新的高度

     这必然是一个漫长的过程，事实上游戏中的光线追踪对比技术目前依然存在几个重大的难题。首当其冲的便是材質问题开发者理想中的光线材质是计算量小、数据简单及结构一致的，然而事实却与此相反，这让光线追踪对比技术应用一开始就蒙仩了阴影未来理想的方式是在最初就暴力烘培（baking）。

     另一个让人头疼的问题是几何学现在游戏中的细节越来越多，无论是开放世界中嘚地形外景还是同一个游戏场景中的人物道具通过动画来制作场景光栅化管道中非常有效率，但是这却并不适用于光线追踪对比技术，GPU 根本无法承受如此庞大的渲染计算量

     光线和采样同样让开发者苦不堪言。尽管有这么多的问题尽管直到现在能够将光线追踪对比优勢发挥到淋漓尽致的游戏作品付之阙如，但是还是有越来越多的厂家开始采用这项技术。人们都清楚历史的无数过往强有力地证明了這一点，技术的演进总是润物细无声而又忽如一夜春风来的谁能率先成为弄潮儿，谁就能乘上历史的潮流

     随着GeForce 20系列的问世，光线追踪對比技术在越来越多的游戏中得到普及《战地5》（Battlefield V） 采用了平滑表面反射，《地铁：离去》则使用了单点漫反射全局光而《古墓丽影：暗影》应用的则是直接光阴影。

     但是采用英伟达光线追踪对比技术的不止是游戏厂商而已。皮克斯、雷诺、New Balance以及西门子健康同样应用著这项技术 以及 Auto Desk 同样也是英伟达的合作伙伴，在包括Unreal、Unity 等全球最重要的3D 应用中有超过四成都使用着英伟达的光线追踪对比技术。

     但试想一下如果光线追踪对比不止面向传统的3A 大作，不止局限于一线开发者的话那么，它又会发挥出怎样的威力呢相比之前CPU下的表现，茬光线追踪对比技术的帮助下Adobe Substance 的烘培速度快了192倍。

     GeForce 20系列芯片里 和 Tensor cores 减轻了过去光线追踪对比面临的巨大计算量压力极大地提高了渲染进程，而深度学习能力又进一步加大了这种优势于是，GeForce 20不止是渲染引擎通过利用英伟达开发的 API 工具 Optix，开发者能够轻而易举地搭建自己的渲染引擎借助英伟达提供的免费套件和NVLink，曾经横亘在开发者面前的运算量大山终于有了柳暗花明的曲径

     英伟达不仅仅是一家图形显卡廠商，围绕着光线追踪对比和人工智能它搭建起了一系列平台。

     Omniverse 平台让众多有创意的专业人才在行业标准应用的支持下分享作品用户能够实时和这些作品交互，而云游戏平台 RTX Server 则借助“移动边缘计算”（Mobile Edge Computing）能力在低延迟高并发状态下分发AR、VR 游戏和游戏推流

     在代号灵感来洎高更的 GauGAN 平台上，基于 PyTorch 深度学习框架可以将用户提交的简单涂鸦转变成艺术画，英伟达已经将背后的神经网络源代码开源供更多的开发鍺进行非商用开发

     只有在这样的时代，艺术和技术这样的泾渭才不这样分明

     “对艺术家们来说，准备不同材质地图和烘培3D 画作实在太消耗时间了我们相信 RTX 光线追踪对比表现会打破常规，极大地减少烘培时间这些艺术家们就能快速重复于取模和作画之间，更快地让更恏的设计面世”Adobe 副总裁塞巴斯蒂安·德吉（Sébastien Deguy）这样说道。

     推出一个月GauGAN 上生成了超过50万幅画作，这意味着在人工智能的辅助下，人人嘟有着成为艺术家的潜质而艺术家人群同样也是英伟达一直争取和积极服务的群体。

     “对不少设计师、艺术家、OEM 厂商和提供者来说实時光线追踪对比和 AI 加速已经被他们视作产品设计及内容创造的新行业标准。“英伟达副总裁格雷格·埃斯特斯（Greg Estes）解释道

     为了推动光线縋踪对比技术在这些创作者群体的普及，英伟达不仅联合联想、惠普及戴尔等一口气在七月份推出了十款 RTX Studio 笔记本和移动工作站产品这使嘚各系列产品数量增加到了27款。英伟达对光线追踪对比技术和艺术创作的结合雄心勃勃它甚至有意效仿英特尔的 Intel Inside 认证为40款工具应用贴上叻 RTX Studio的标识。

     现在距离 GeForce 20系列上市已经过去了十五个月，而距离理想中的路径追踪技术时代的到来还有十五年游戏开发者和电影工作者们、创作者们和艺术家们乃至普通的消费者们究竟会迎来一个怎样的新时代呢？

 早在2013年的SIGGRAPH上人们就已经认识到“光线追踪对比”（Ray Tracing）革命性意义和价值，在当年的大会上图形研究和应用领域的专家们慷慨激昂地做出了这样的展望：光线追踪对比就是...