什么是光线跟踪？(以及它对PC游戏的意义)

注意到你最近玩游戏时眼睛睁得更大了吗？如果是这样的话，这可能是因为许多游戏现在支持光线跟踪，这项技术只有在2018年才成为可能，这要归功于专门的图形硬件。

虽然光线跟踪通常在PC游戏中被讨论，但微软的Xbox Series X和索尼的PlayStation 5也有必要的硬件和越来越多的支持它的游戏库。这篇文章解释了光线跟踪与传统光栅化的不同之处，以及为什么它对游戏的未来非常重要，无论是在游戏机、游戏台式机还是游戏笔记本电脑上。

光线跟踪的基础知识

光线跟踪是一种用于照亮计算机生成的场景的高效技术。这个概念并不新鲜，尽管在大众市场上获得足够强大的计算硬件是新的。

想象一下，向一个物体发射一束光线，并跟踪它如何从表面反弹，就像走进一个黑暗的房间，然后用手电筒照着。然后想象拍摄许多光线，使用返回(和不返回)的光线来计算场景应该是什么样子。例如，无法返回的光线可能会被对象阻挡，从而产生阴影。(你可以用雷达的工作原理来思考这个概念。)

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换句话说，光线跟踪类似于现实世界的照明：到达你眼睛的光告诉你的大脑你看到了什么。动画电影几十年来一直使用光线跟踪；例如，皮克斯的《玩具总动员》在1995年将其引入聚光灯下，从那时起，CGI渲染方面取得了巨大的进步。

然而，自从电影业使用光线跟踪以来，视频游戏一直依赖于一种不同的渲染3D世界的技术：光栅化。在我们讨论这一问题的原因之前，让我们对比一下这两种方法。

基本原理：光线跟踪与光栅化

光栅化是一种基于对象的场景渲染方法。每个物体首先被涂上颜色，然后应用逻辑只显示离眼睛最近的像素。相比之下，光线跟踪首先为像素上色，然后将它们与对象进行标识。这就解释了一切，对吧？

嗯，不完全是，所以这样想吧。栅格化需要特殊的技术和调整来创建逼真的视觉效果。例如，游戏的渲染管道可能会被定制和优化，以应用某种效果，为对象上的像素提供特定的图案。当然，这种类型的逻辑随对象和场景的不同而不同。开发人员需要付出努力才能利用这一点，但光栅化可以提高效率，因为计算机可能能够在不需要大量处理能力的情况下渲染复杂的场景。

光线跟踪往往比光栅化以更一般的方式应用，因为它是基于发射光线的。因此，使用光线跟踪实现视觉效果的技术基于光线的使用方式。例如，较柔和的阴影和反射需要发射更多光线，而运动和模糊效果可能需要更改光线计时或其原点。

无论如何，光栅化和光线跟踪基本上都可以达到相同的效果(或至少接近效果)。因此，现在让我们来探索一下为什么您会使用其中一个。

主流游戏获得光线追踪

几十年前，光栅化在视频游戏中赢得了一席之地，因为与光线跟踪所需的硬件不同，光栅化所需的硬件对主流买家来说足够负担得起。这在很大程度上仍然是正确的–今天的游戏显卡针对光栅化进行了优化，并将在未来许多年内如此。

光线追踪在2018年首次渗透主流游戏，发布了NVIDIA的GeForce RTX系列台式机显卡，首先是以高端NVIDIA GeForce RTX 2080的形式。NVIDIA在2020年推出了第二代GeForce RTX 3000系列(以NVIDIA GeForce RTX 3080为标题)，其主要竞争对手AMD迅速效仿，推出了Radeon RX 6000系列。快进到2023年，NVIDIA推出了第三代GeForce RTX 4000和AMD先进的Radeon RX 7000系列。(请参阅我们对旗舰图形处理器NVIDIA GeForce RTX 4090和AMD Radeon RX 7900 XTX的评论。)

简而言之，光线跟踪花了这么长时间才进入消费者游戏领域，是因为无法获得实现它的计算资源，价格允许任何接近主流采用的产品。事实上，第一批能够进行光线跟踪的图形处理器都是昂贵的高端显卡。中端产品，特别是NVIDIA GeForce RTX 2060，直到其生命周期的后期才出现。

更实惠的、支持光线跟踪的入门级显卡不得不等到AMD Radeon RX 6500 XT和NVIDIA GeForce RTX 3050在2022年初上架。(这些产品立即从货架上消失了–那是显卡缺货危机的日子，加密货币开采的一个不幸的副作用–但现在在2023年，这些产品在这里得到了更广泛的销售。)同年，英特尔也加入了专用图形处理器市场，首先是英特尔Arc A380显卡，紧随其后的是经过大幅改进的英特尔Arc A770。

简而言之，虽然它们仍在为光栅化进行优化(游戏仍在编写中)，但几乎所有当前的显卡都支持光线跟踪，因此即使是预算较低的买家也可以享受这项技术所提供的视觉享受。

光线跟踪的可视化改进

重要的是要认识到，光线跟踪只是进入游戏图形的一只脚。这是因为实时光线跟踪渲染整个游戏仍然远远超出了主流硬件的能力。支持光线跟踪的游戏只将其用于某些效果，主要与阴影和照明有关，而其他一切仍然是光栅化的。

简单介绍一下术语：NVIDIA当前的GPU使用的是该公司广泛称为RTX的专有图形渲染实现。此实现可以利用Windows 11中的DirectX 12，特别是其DXR功能-DirectX光线跟踪应用程序编程接口(api)-在游戏引擎中渲染光路。NVIDIA维护一份支持腾讯通的特色游戏和应用程序列表

DXR是一种光线跟踪API，可以与NVIDIA的硬件一起运行，也可以独立运行。例如，几年前，游戏《绝命毒师》的开发者展示了他们的Crytek引擎的展示，该引擎在AMD Radeon RX 5000系列卡上运行光线跟踪反射–这是一款没有板载光线跟踪内核的GPU–尽管其性能很慢。Rt核是专门用于计算光线背后的数学的硅；它们帮助任何显卡更快地执行DXR代码，尽管DXR不需要RT核来运行。如果在支持硬件光线跟踪的当前AMD卡上运行Crytek展示，则DXR场景的运行速度会显著加快。

让我们来看看光线跟踪如何改善游戏的外观。我在Square Enix的《古墓丽影》PC版中拍摄了以下几对屏幕截图，它支持带有GeForce RTX显卡的光线跟踪阴影。仔细观察地面上的阴影。

以下是《古墓丽影》中的另两个场景：

让我们来看最后一组：

光线跟踪阴影比更苛刻的光栅化版本更柔和、更逼真。它们的暗度取决于对象遮挡的光线的多少，甚至在单个阴影中也不同，而光栅化似乎给每个对象提供了一个坚硬的边缘。最初的阴影看起来并不是真的很糟糕，但在玩完光线跟踪游戏后，很难回头。

如果游戏分别为NVIDIA和AMD显卡实现光线跟踪功能或以不同方式实现该功能，则光线跟踪支持仍然会两极分化，但更现代的方法是利用DXR，它可以在当前的AMD、NVIDIA和英特尔GPU上运行。

光线跟踪：性能影响

当涉及到PC图形时，一切都是有代价的，光线跟踪的视觉增强也不例外。这项技术通常会带来不同于游戏的性能打击。新的加速技术-NVIDIA的深度学习超级采样(DLSS)和AMD的FidelityFX超级分辨率(FSR)-有助于降低光线跟踪的性能损失。

为了说明这一点，我运行了赛车模拟器F1 22的内置基准测试，使用的是配备英特尔酷睿i5-12400F处理器和NVIDIA GeForce RTX 3050显卡的入门级游戏台式机。下面的数字显示了平均每秒帧数(Fps)。游戏玩家通常希望游戏速度至少达到60fps才能玩得流畅。

我在F1 22的超高细节预置中运行了所有的场景。启用光线跟踪表示所有对象-阴影、反射、环境光遮挡和透明反射-光线跟踪质量设置为高。当DLSS打开时，我将其保留为默认的质量设置。

在最糟糕的情况下，在启用光线跟踪和关闭DLSS的情况下，台式机只能管理43fps。对于快节奏的模拟器来说，这几乎是不可能的。启用DLSS会带来58%的性能提升(达到68fps)，因此DLSS真的能拯救一切。

然而，同样的PC在DLSS打开但光线跟踪关闭的情况下达到了125fps，对于像这样的esports游戏来说，这是一个好得多的帧速率。因此，至少在入门级硬件上，光线跟踪仍然是相当苛刻的，以至于你可能需要调整设置或在某些游戏中完全禁用它。正如所提到的，每一场比赛的情况都有很大的不同；F1 22只是一个例子。

游戏优化也值得一提的是。开发人员继续优化他们的光线跟踪实现，就像他们优化光栅化一样(光栅化在五六年内取得了令人难以置信的进展)，所以明天可能会体验到来自今天的硬件的更好、更快的光线跟踪效果。

DLSS和FSR肯定会有所帮助，NVIDIA和AMD各自的技术将随着时间的推移而得到完善和扩展。DLSS现在是第三代，而FSR的工作原理类似，但可以在任何图形卡上运行。

光线追踪的未来

随着包括入门级产品在内的光线跟踪显卡的广泛使用，现代游戏现在通常支持NVIDIA的DLSS和AMD的FSR的基本技术和性能调整。PlayStation5和Xbox Series X中的硬件光线跟踪支持只是强调了光线跟踪将继续存在这一点。

虽然在价格适中的笔记本电脑和低端台式机中流行的集成显卡目前不支持光线跟踪，但各种独立的GPU都支持，这适用于笔记本电脑和台式机。光线跟踪对入门级硬件的性能影响仍然很严重，尽管不同的游戏会有所不同。然而，毫无疑问，渴望最佳视觉效果的游戏玩家会发现光线跟踪是从旧平台升级的诱人理由。

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