什么是光线追踪？ （以及这对 PC 游戏意味着什么）
已发表: 2022-01-29注意到你最近玩游戏时眼睛睁得更大了吗？ 如果是这样，那可能是因为一种新技术正在缓慢地传播到游戏领域。 光线追踪技术为您带来了 PC 游戏中最新、最壮观的视觉增强功能，这在最近才通过专用硬件实时实现。
虽然光线追踪在 PC 游戏中经常被引用，但微软的 Xbox Series X 和索尼的 PlayStation 5 也拥有必要的硬件和不断增长的支持它的游戏库。 本文介绍了光线追踪与传统光栅化的不同之处，为什么它对游戏的未来很重要，当然，光线追踪是否会影响您购买下一台游戏 PC（无论是游戏台式机还是游戏笔记本电脑）或游戏机。
光线追踪的基础知识
光线追踪是一种适用于照亮计算机生成场景的技术。 这个概念并不新鲜。 新的东西是已经到达计算肌肉以有效地完成它。
想象一下，向一个物体发射光线并追踪它是如何从表面反弹的，就像走进一个黑暗的房间并指向一个手电筒一样。 然后想象拍摄许多光线，使用那些会（和不会）返回的光线来确定场景的外观。 例如，未能返回的光线很可能被物体阻挡，从而产生阴影。 （以与雷达工作原理相同的方式思考这个概念并不遥远。）
这个基本解释强调了光线追踪如何与现实世界的照明平行：到达你眼睛的光告诉你的大脑你所看到的。 几十年来，动画电影一直在使用光线追踪。 例如，皮克斯的《玩具总动员》在 1995 年将其带入了聚光灯下，此后在渲染方面取得了长足的进步。
然而，只要电影行业一直在使用光线追踪，视频游戏就一直依赖一种不同的技术——光栅化来渲染 3D 世界。 但是，在我们了解其背后的原因之前，让我们将光线追踪与光栅化进行对比。
基础知识：光线追踪与光栅化
光栅化是一种基于对象的场景渲染方法。 首先为每个对象涂上颜色，然后应用逻辑仅显示离眼睛最近的像素。 相比之下，光线追踪首先为像素着色，然后再用物体识别它们。 简单……这解释了一切，对吧？
好吧，不完全是，所以这样想。 光栅化需要特殊的技术和调整来创建逼真的视觉效果。 例如，可以定制和优化游戏的渲染管道以应用某种效果，其中对象上的像素具有给定的模式。 自然，这种类型的逻辑会因对象和场景而异。 开发人员需要付出努力才能利用这一点，但它可以在效率上得到回报，因为计算机可能能够在没有成比例的处理能力的情况下渲染复杂的场景。
光线追踪往往以比光栅化更通用的方式应用，因为它基于拍摄光线。 因此，使用它实现视觉效果的技术是基于这些光线的使用方式。 例如，较柔和的阴影和反射需要拍摄更多光线，而运动和模糊效果可能需要更改光线时间或光线的原点。
总而言之，光栅化和光线追踪可用于实现相同的结果（或至少接近它）。 所以现在让我们探讨一下为什么会使用一个而不是另一个。
主流游戏，遇见光线追踪
几十年前，光栅化在视频游戏中占有一席之地，因为它所需的硬件价格足以让主流买家使用，这与光线追踪所需的不同。 这在很大程度上仍然是正确的。 游戏显卡针对光栅化进行了优化，并且在未来很多年都会如此。
光线追踪进入主流游戏的旅程始于 2018 年，当时英伟达推出了 GeForce RTX 2080 形式的 GeForce RTX 桌面显卡系列。英伟达于 2020 年推出了第二代 GeForce RTX 3000 系列显卡（以 GeForce RTX 3080 为代表） ，而竞争对手 AMD 也迅速效仿其 Radeon RX 6000 系列。 （请参阅我们对旗舰 Radeon RX 6800 XT 的评论。）
简而言之，光线追踪进入游戏领域花了很长时间，因为实现它的计算资源无法以允许主流采用的价格获得。 诚然，入门成本仍然相对较高——AMD 和 Nvidia 都没有提供带有硬件光线追踪的低端台式机显卡。 目前，能够在硬件中进行光线追踪的“入门级”显卡是 GeForce RTX 2060，它于 2019 年推出，价格不高，为 349 美元，如今的销量远远超过大多数来源的价格，原因是对视频卡的高需求（和低供应）。
我们测试过的顶级光线追踪显卡...
不过，在某个时候，价格会稳定下来。 并且场景将继续被主流采用，尤其是在最新的游戏机加入之后。
光线追踪的视觉改进
重要的是要意识到光线追踪只是踏入了游戏图形的大门。 那是因为在实时光线追踪中渲染整个游戏仍然远远超出了当今硬件的能力。 支持光线追踪的游戏仅将它用于某些效果，主要是那些与阴影和光照相关的效果，而其他一切仍然是光栅化的。
首先，快速入门术语。 Nvidia 的 RTX 品牌卡——例如 GeForce RTX 2060 或 RTX 3080——使用了 Nvidia 广泛称为“RTX”的专有图形渲染实现。 此实现可以使用 DirectX 12，更具体地说是其 DirectX Raytracing API (DXR) 来渲染游戏引擎中的光路。
与此同时，DXR 是一种光线追踪 API，可以独立于 Nvidia 的硬件运行，也可以与它结合使用。 例如，游戏 Crysis 的开发人员几年前展示了他们自己的 Crytek 引擎的演示，该引擎在 AMD Radeon RX 5000 系列卡（一个没有板载 RT 内核的 GPU）上运行光线追踪反射，尽管性能预计会很慢. 如果您要在 AMD Radeon RX 6000 系列卡上运行相同的演示，并配备板载 RT 内核，它将显着加快处理 DXR 场景的速度。
RT 内核（专门用于计算光线数学）可帮助 AMD 或 Nvidia 品牌的任何显卡更快地运行 DXR，但 DXR 不需要 RT 内核即可运行。
让我们看看光线追踪如何在视觉上改善游戏。 我在 Square Enix 的 PC 版《古墓丽影之影》中截取了以下屏幕截图对，它支持 Nvidia GeForce RTX 显卡上的光线追踪阴影。 具体来说，看看地面上的阴影。
这是古墓丽影之影的另一对场景......
让我们看看最后一组...
与更粗糙的光栅化版本相比，光线追踪阴影更柔和、更逼真。 它们的暗度取决于物体阻挡的光量，甚至在阴影本身内，而光栅化似乎给每个物体一个硬边。 光栅化的阴影看起来还不错，但是在玩了带有光线追踪阴影的游戏之后，就很难回去了。
目前，游戏中的光线追踪支持有点两极分化，因为该功能必须分别为 AMD 和 Nvidia 卡实现。 更多游戏支持 Nvidia 显卡，主要是因为 Nvidia 是 2020 年之前唯一一家生产支持光线追踪的显卡的公司，但更多游戏开始支持这两种口味。 后者的例子包括 Cyberpunk 2077、Dirt 5、Godfall 和魔兽世界：暗影国度。
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光线追踪：性能影响
谈到 PC 图形，一切都是有代价的，光线追踪的视觉效果也不例外。 启用它通常会导致性能损失，其影响因游戏而异。
让我们以游戏《古墓丽影》中的内置基准测试为例。 我在配备 AMD Ryzen 9 5900X 处理器、GeForce RTX 3080 显卡和 32GB 内存的游戏就绪台式机上运行它。 下面给出的数字是在两种分辨率下测试的，是每秒平均帧数 (fps)。 流畅的游戏至少需要 60fps。
光线追踪带来的两位数性能影响非常显着，请注意，这是在启用性能增强 DLSS 功能的情况下实现的。 DLSS 是某些游戏支持的 Nvidia 特定功能，有助于减少光线追踪计算负载对帧速率的影响。 （有关 DLSS 的更多信息，请参阅我们的功能测试 Nvidia 的 DLSS 2.0：免费更高帧速率？）DLSS 显示出巨大的希望，但游戏必须支持它。 虽然这些天它正在获得动力，但对它的支持远非普遍。
请记住，这种性能权衡仅来自应用阴影和照明效果，因此今天的技术确实距离使用光线追踪渲染整个游戏还有很长的路要走。 也就是说，在这种情况下，性能命中是最坏的情况，因为该游戏具有光线追踪阴影设置，对性能的负面影响较小。
游戏优化值得一提。 毫无疑问，开发人员将学习更好地优化光线追踪，就像他们进行光栅化一样，因此应该可以从当前的硬件中获得更多的光线追踪效果。 （再次，看看光栅化已经走了多远。）
我们审查过的关键光线追踪游戏
DLSS 也是一种会有所帮助的方法，我们预计 DLSS 会随着时间的推移进行改进和扩展。 AMD 还在开发自己的 DLSS 式性能节省替代方案，称为“超分辨率”。 Super Resolution 正在与 Microsoft 的 DirectML 团队（“ML”是“机器学习”的缩写）一起开发。 然而，AMD 表示，这项技术仍有出路，我们最早可能要到 2022 年才能看到任何使用它运行的游戏。
光线追踪的未来：逐渐升温
尽管光线追踪在当今游戏中的应用有限，但它仍然存在。 自从 AMD 跟随 Nvidia 推出支持硬件光线追踪的 Radeon 显卡以来，这篇文章就一直在写。 Xbox Series X 和 PlayStation 5 中的硬件光线追踪支持进一步推动了这一点。
在这方面，已经为主机游戏玩家选择了采用光线追踪。 它也适用于购买现代中高端显卡的 PC 游戏玩家，因为所有最新型号都支持硬件光线追踪，但问题仍然是使用旧显卡或低端显卡的游戏玩家应该升级，还是市场上的玩家升级应该小马起来。
简而言之，除非您确定视觉差异物有所值，否则没有必要投资支持硬件光线追踪的显卡。 光线追踪目前对游戏几乎没有其他优势，因此归结为简单的享受。
显卡当前有限的可用性和高昂的价格使得光线追踪的投资比应有的更大，所以除非你有幸获得 GeForce RTX 或 Radeon RX 6800 卡，否则保持光线追踪可能是有意义的愿望清单并将现金用于游戏。 从长远来看，这种策略可能会取得更好的效果，因为您可以在等待时重新体验您购买的任何添加了光线追踪支持的游戏。