光线追踪技术 清华大学 pdf_作为游戏界最新的图像渲染技术，光线追踪的好处以及它面临的困境...

说起今年最受关注的显卡，那么无疑是AMD即将发布的Big Navi显卡以及NVIDIA的RTX30系列，RTX30系列GPU是7nm工艺的安培GPU，它将是12nm图灵GPU的继任者，除了升级图形架构之外，RTX光线追踪技术也会继续升级。

光线追踪技术是NVIDIA在2018年刚刚开始使用的新一代图形渲染技术，仅搭载在它旗下的RTX20系列高端显卡上。这些光追显卡一经发布便受到了各路游戏爱好者们的喜爱，NVIDIA也是不断地去吹捧拥有光线追踪技术的显卡可以让游戏画面变得更好。

那么问题来了，什么是光线追踪，我们为什么需要光线追踪，光线追踪这个技术又有什么缺点。

什么是光线追踪

光线追踪说白了就是一种在2D屏幕上呈现3D图像的方法，其实在很久之前就已经出现了，但是一般都被应用于动画电影中，最近才开始在游戏上使用这项技术。

由于电脑的性能是有上限的，所以为了减轻计算压力，应用于游戏上的光线追踪并不会捕捉几万亿条来自各个光源的光线，而是只取其中的极小一部分。打个比方，我们假设我们的眼睛是一个虚拟相机，以它为起点，穿过一个像素，然后看到像素背后的物体，最后回到场景里的光源。而且为了增加真实性，如果反射光线的物体会吸收或者漫反射光线的话，比如一些石头、树干、草丛之类的，光线追踪算法会将这些新增的光线考虑进去，这样所有的折射和阴影效果都能够准确的显示出来。

我们为什么需要光线追踪技术

我们之所以需要光线追踪技术，是因为它优于传统的游戏绘制或者说图像渲染方式。在光追显卡没有发售之前，游戏所使用的图像渲染方式是一种叫做光栅化的技术，虽然现在光追显卡的数量依旧不多，大部分人的显卡依旧在使用光栅化。

光栅化这个技术的作用是通过游戏的代码让GPU用多边形绘制一个3D场景，这些2D的多边形一般都是三角形，它们组成了我们看到的大部分视觉元素。当场景绘制完成后，再将这个场景光栅化成单独的像素，经过着色器处理，通过改变单个像素的颜色、材质、光照效果，来渲染出完整的一帧3D场景。然后每秒重复这个过程几十遍，这个次数主要取决于电脑的性能上限，最终我们就可以得到流畅的游戏体验。

虽然游戏领域已经使用光栅化这个技术很多年了，它过去的表现也着实令我们满意。但是通过将3D图形转换到2D的屏幕，再利用着色器来估计光照的效果，这种做法有着天生缺陷，因为这样很难追踪光线在一个场景内具体是如何传播和反射的。而光线追踪在这方面的效果要好很多，所以才需要开始使用光线追踪技术，其实现在的很多动画电影都是使用的光线追踪技术，比如大家喜欢的大白、驯龙高手之类的动画片。

光线追踪技术的缺点

既然电影中已经使用了很多年光线追踪技术，那么为什么它最近才开始被应用于游戏中呢？这牵扯到光线追踪技术的缺点，那就是它非常需要计算量。

电影之所以能使用光线追踪技术，那是因为在那些大制作的电影中，制作方可以花大价钱去大型服务器集群里面渲染这些效果和画面，这个过程可以花费数月甚至数年。这样做的好处是可以得到更加真实的画面，因为计算量够高，所以它们可以从容的去模拟各个光子，以及来自各个光源的大量光线和这些光线不同角度的反射效果。经过了这些流程所处理出来的图像和视频，我们第一眼看过去都会觉得这是真实的照片或是视频，而非是电脑渲染出来的图像，而且即使我们知道了这不是真的，我们依旧要花很久才能看出来。

然而如果光线追踪的这个好处应用到游戏上，就成了缺点。

首先，我们的电脑配置不够强，即使是使用了目前性能最高的各种硬件也依旧不够，况且能用得起i9X系列和2080的人只是玩家中的极少数，我们更不能把服务器搬到家里。所以我们现在所知道的应用于游戏中的光线追踪技术，其实在很大程度上被削弱了，就像我们之前说的，应用于游戏中的光线追踪技术，只会追踪其中极少一部分光线，虽然效果依旧比光栅化好很多，但是终究是个遗憾。

其次，哪怕只是追踪极少一部分光线，依旧会对电脑的性能有很高的要求，更何况现在的游戏玩家都会追求高刷新率，为了满足高刷新率的需求，电脑每秒钟需要渲染的图像数量也开始成倍增加。因此，有与没有光追，哪怕质量相差不多，对电脑的需求却会相差较大。

光线追踪的普及道路上，最大的障碍应该是游戏本身，目前支持光线追踪的游戏并不算多，选择光线追踪显卡的性价比并不高。而且支持光线追踪的游戏大多是一些大作，就算不使用光线追踪就已经需要很高的电脑性能才能流畅运行，再加上光线追踪继续加重性能的负担，所以想要得到舒适且流畅的游戏体验，就需要一台性能比不支持光线追踪的电脑更强的机器。因此，目前能够体验光线追踪技术的人，只是玩家群体中的极少一部分。

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在未来，支持光线追踪技术的显卡会越来越多，除了已经拥有这类显卡的NVIDIA，AMD也已经有了专业级的光线追踪方案。总的来说，在硬件上各大厂家已经做到位了 ，我们也只能希望游戏厂家，能不能再努努力，让更多游戏能够支持光线追踪，免得我们最后是为了一些永远用不上的功能多花了冤枉钱。