光線追蹤技術(shù)，真能給游戲領(lǐng)域帶來跨時代發(fā)展？

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近期，在美國圖形與互動技術(shù)大會 Siggraph 2018 發(fā)布會上，Nvidia 在顯卡中更新了一項全新的技術(shù)，轟動了業(yè)界人士。這就是號稱“全球首款光線追蹤顯卡”Quadro RTX 系列，可以讓游戲與電影完全實(shí)現(xiàn)即時演算光線追蹤畫質(zhì)。

說到光線追蹤技術(shù)，大家一定很陌生，但其實(shí)，這項技術(shù)已經(jīng)有很長久的發(fā)展歷史了。今天與非網(wǎng)小編就帶大家來了解一下。

光線追蹤的定義

關(guān)于光線跟蹤，在百度上的說法，這是一個在二維(2D)屏幕上呈現(xiàn)三維(3D)圖像的方法。
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通俗的說，在真實(shí)世界中，我們看到的 3D 物體被光源照亮，且光子可以在到達(dá)查看者的眼睛以前從一個物體反彈到另一個物體。

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光線可能會被某些物體阻擋，形成陰影，或可能會從一個物體反射到另一個物體。比如我們看到一個物體的圖像反射在另一個物體表面的情景。然后會發(fā)生折射–光線穿過透明或半透明物體（如玻璃或水）時發(fā)生變化的情況。光線追蹤通過從我們的眼睛（觀景式照相機(jī)）反向追蹤光線捕捉這些效果

光線追蹤的歷史

其實(shí)光線追蹤并不是近幾年才有的概念，它的歷史甚至可以追溯到上世紀(jì) 70 年代。Arthur Appel 于 1968 年提出將光線追蹤算法應(yīng)用于圖片渲染的概念，那時還叫 ray casting，這也是后來光線追蹤的基石。

但一直等到 10 年后的 1979 年，Turner Whitted 才繼續(xù)在論文《An Improved Illumination Model for Shaded Display》中，具體解析如何捕捉反射、陰影和反射。在光線投射的基礎(chǔ)上，加入光與物體表面的交互。

有趣的是，Turner Whitted 作為光線追蹤的創(chuàng)始人，目前就任于 NVIDIA 研究事業(yè)部，所以你能理解 NVIDIA 為什么那么熱衷于光線追蹤追蹤了嗎？

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光線追蹤的應(yīng)用

雖說在游戲界這項技術(shù)是個新鮮玩意兒，但在電影行業(yè)中，已屢見不鮮，他們已經(jīng)有相當(dāng)成熟的解決方案，完全可以達(dá)到以假亂真的效果，你看看漫威的科幻大片，是不是給你一種異常真實(shí)的錯覺？沒錯，這就是光線追蹤的魅力。

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光線追蹤生成的影像與攝影機(jī)拍攝的影像很難區(qū)分開來。真人電影將計算機(jī)生成的效果與真實(shí)拍攝的影像無縫融合在一起，而動畫電影則通過光線和陰影隱匿用數(shù)字方式生成的場景，力求達(dá)到攝影機(jī)拍攝般的傳神效果。

在游戲中，這種技術(shù)可以為游戲帶來更加逼真的畫面，可以給那些游戲開發(fā)者帶來電源級畫質(zhì)的實(shí)時渲染。一種很簡便的方法就是立即環(huán)顧玩家的四周。玩家看到的物體被光束照亮，現(xiàn)在轉(zhuǎn)過身，追蹤這些光束從玩家的眼睛向后到與光線交互的物體的路徑，這就是光線追蹤。
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光線追蹤的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
光線跟蹤的流行來源于它比其它渲染方法如掃描線渲染或者光線投射更加能夠現(xiàn)實(shí)地模擬光線，象反射和陰影這樣一些對于其它的算法來說都很難實(shí)現(xiàn)的效果，卻是光線跟蹤算法的一種自然結(jié)果。光線跟蹤易于實(shí)現(xiàn)并且視覺效果很好，所以它通常是圖形編程中首次嘗試的領(lǐng)域。
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缺點(diǎn)
光線跟蹤的一個最大的缺點(diǎn)就是性能，掃描線算法以及其它算法利用了數(shù)據(jù)的一致性從而在像素之間共享計算，但是光線跟蹤通常是將每條光線當(dāng)作獨(dú)立的光線，每次都要重新計算。但是，這種獨(dú)立的做法也有一些其它的優(yōu)點(diǎn)，例如可以使用更多的光線以抗混疊現(xiàn)象，并且在需要的時候可以提高圖像質(zhì)量。盡管它正確地處理了相互反射的現(xiàn)象以及折射等光學(xué)效果，但是傳統(tǒng)的光線跟蹤并不一定是真實(shí)效果圖像，只有在非常緊似或者完全實(shí)現(xiàn)渲染方程的時候才能實(shí)現(xiàn)真正的真實(shí)效果圖像。由于渲染方程描述了每個光束的物理效果，所以實(shí)現(xiàn)渲染方程可以得到真正的真實(shí)效果，但是，考慮到所需要的計算資源，這通常是無法實(shí)現(xiàn)的。于是，所有可以實(shí)現(xiàn)的渲染模型都必須是渲染方程的近似，而光線跟蹤就不一定是最為可行的方法。包括光子映射在內(nèi)的一些方法，都是依據(jù)光線跟蹤實(shí)現(xiàn)一部分算法，但是可以得到更好的效果。
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未來將如何發(fā)展？
隨著 GPU 性能日益強(qiáng)悍，下一階段理應(yīng)是讓更多人享受到光線追蹤技術(shù)帶來的好處。例如，借助光線追蹤工具（如 Autodesk 的 Arnold、Chaos Group 的 V-Ray 或 Pixar 的 Renderman）和性能強(qiáng)悍的 GPU，產(chǎn)品設(shè)計師和建筑師使用光線追蹤在幾秒內(nèi)即可生成逼真的產(chǎn)品模型，促進(jìn)他們更加有效的協(xié)作，并省去昂貴的原型設(shè)計環(huán)節(jié)。

光線追蹤已經(jīng)向建筑師和照明設(shè)計師證明了它的價值，他們正在利用這些功能對光線與設(shè)計如何交互進(jìn)行建模。隨著 GPU 的計算能力日益提升，視頻游戲?qū)⒊蔀榇思夹g(shù)的下一個前沿陣地。
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支持光線追蹤的游戲有哪些？
在科隆的新品發(fā)布會上，老黃正式發(fā)布了全新的 Geforce RTX 顯卡，包括 RTX 2080 Ti、RTX 2080 以及 RTX 2070，同時老黃還表示共有 21 款游戲支持或者即將支持全新的 RTX 技術(shù)，并且在現(xiàn)場演示了《古墓麗影：暗影》、《地鐵：離去》和《戰(zhàn)地 V》等大作。
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說了這么多，大家是否對這項技術(shù)有所期待呢？相信游戲愛好者應(yīng)該很喜歡吧~