什麼是光線追踪？ （以及這對 PC 遊戲意味著什麼）
已發表: 2022-01-29注意到你最近玩遊戲時眼睛睜得更大了嗎？ 如果是這樣，那可能是因為一種新技術正在緩慢地傳播到遊戲領域。 光線追踪技術為您帶來了 PC 遊戲中最新、最壯觀的視覺增強功能，這在最近才通過專用硬件實時實現。
雖然光線追踪在 PC 遊戲中經常被引用，但微軟的 Xbox Series X 和索尼的 PlayStation 5 也擁有必要的硬件和不斷增長的支持它的遊戲庫。 本文介紹了光線追踪與傳統光柵化的不同之處，為什麼它對遊戲的未來很重要，當然，光線追踪是否會影響您購買下一台遊戲 PC（無論是遊戲台式機還是遊戲筆記本電腦）或遊戲機。
光線追踪的基礎知識
光線追踪是一種適用於照亮計算機生成場景的技術。 這個概念並不新鮮。 新的東西是已經到達計算肌肉以有效地完成它。
想像一下，向一個物體發射光線並追踪它是如何從表面反彈的，就像走進一個黑暗的房間並指向一個手電筒一樣。 然後想像拍攝許多光線，使用那些會（和不會）返回的光線來確定場景的外觀。 例如，未能返回的光線很可能被物體阻擋，從而產生陰影。 （以與雷達工作原理相同的方式思考這個概念並不遙遠。）
這個基本解釋強調了光線追踪如何與現實世界的照明平行：到達你眼睛的光告訴你的大腦你所看到的。 幾十年來，動畫電影一直在使用光線追踪。 例如，皮克斯的《玩具總動員》在 1995 年將其帶入了聚光燈下，此後在渲染方面取得了長足的進步。
然而，只要電影行業一直在使用光線追踪，視頻遊戲就一直依賴一種不同的技術——光柵化來渲染 3D 世界。 但是，在我們了解其背後的原因之前，讓我們將光線追踪與光柵化進行對比。
基礎知識：光線追踪與光柵化
光柵化是一種基於對象的場景渲染方法。 首先為每個對象塗上顏色，然後應用邏輯僅顯示離眼睛最近的像素。 相比之下，光線追踪首先為像素著色，然後再用物體識別它們。 簡單……這解釋了一切，對吧？
好吧，不完全是，所以這樣想。 光柵化需要特殊的技術和調整來創建逼真的視覺效果。 例如，可以定制和優化遊戲的渲染管道以應用某種效果，其中對像上的像素具有給定的模式。 自然，這種類型的邏輯會因對象和場景而異。 開發人員需要付出努力才能利用這一點，但它可以在效率上得到回報，因為計算機可能能夠在沒有成比例的處理能力的情況下渲染複雜的場景。
光線追踪往往以比光柵化更通用的方式應用，因為它基於拍攝光線。 因此，使用它實現視覺效果的技術是基於這些光線的使用方式。 例如，較柔和的陰影和反射需要拍攝更多光線，而運動和模糊效果可能需要更改光線時間或光線的原點。
總而言之，光柵化和光線追踪可用於實現相同的結果（或至少接近它）。 所以現在讓我們探討一下為什麼會使用一個而不是另一個。
主流遊戲，遇見光線追踪
幾十年前，光柵化在視頻遊戲中佔有一席之地，因為它所需的硬件價格足以讓主流買家使用，這與光線追踪所需的不同。 這在很大程度上仍然是正確的。 遊戲顯卡針對光柵化進行了優化，並且在未來很多年都會如此。
光線追踪進入主流遊戲的旅程始於 2018 年，當時英偉達推出了 GeForce RTX 2080 形式的 GeForce RTX 桌面顯卡系列。英偉達於 2020 年推出了第二代 GeForce RTX 3000 系列顯卡（以 GeForce RTX 3080 為代表） ，而競爭對手 AMD 也迅速效仿其 Radeon RX 6000 系列。 （請參閱我們對旗艦 Radeon RX 6800 XT 的評論。）
簡而言之，光線追踪進入遊戲領域花了很長時間，因為實現它的計算資源無法以允許主流採用的價格獲得。 誠然，入門成本仍然相對較高——AMD 和 Nvidia 都沒有提供帶有硬件光線追踪的低端台式機顯卡。 目前，能夠在硬件中進行光線追踪的“入門級”顯卡是 GeForce RTX 2060，它於 2019 年推出，價格不高，為 349 美元，如今的銷量遠遠超過大多數來源的價格，原因是對視頻卡的高需求（和低供應）。
我們測試過的頂級光線追踪顯卡...
不過，在某個時候，價格會穩定下來。 並且場景將繼續被主流採用，尤其是在最新的遊戲機加入之後。
光線追踪的視覺改進
重要的是要意識到光線追踪只是踏入了遊戲圖形的大門。 那是因為在實時光線追踪中渲染整個遊戲仍然遠遠超出了當今硬件的能力。 支持光線追踪的遊戲僅將它用於某些效果，主要是那些與陰影和光照相關的效果，而其他一切仍然是光柵化的。
首先，快速入門術語。 Nvidia 的 RTX 品牌卡——例如 GeForce RTX 2060 或 RTX 3080——使用了 Nvidia 廣泛稱為“RTX”的專有圖形渲染實現。 此實現可以使用 DirectX 12，更具體地說是其 DirectX Raytracing API (DXR) 來渲染遊戲引擎中的光路。
與此同時，DXR 是一種光線追踪 API，可以獨立於 Nvidia 的硬件運行，也可以與它結合使用。 例如，遊戲 Crysis 的開發人員幾年前展示了他們自己的 Crytek 引擎的演示，該引擎在 AMD Radeon RX 5000 系列卡（一個沒有板載 RT 內核的 GPU）上運行光線追踪反射，儘管性能預計會很慢. 如果您要在 AMD Radeon RX 6000 系列卡上運行相同的演示，並配備板載 RT 內核，它將顯著加快處理 DXR 場景的速度。
RT 內核（專門用於計算光線數學）可幫助 AMD 或 Nvidia 品牌的任何顯卡更快地運行 DXR，但 DXR 不需要 RT 內核即可運行。
讓我們看看光線追踪如何在視覺上改善遊戲。 我在 Square Enix 的 PC 版《古墓麗影之影》中截取了以下屏幕截圖對，它支持 Nvidia GeForce RTX 顯卡上的光線追踪陰影。 具體來說，看看地面上的陰影。
這是古墓麗影之影的另一對場景......
讓我們看看最後一組...
與更粗糙的光柵化版本相比，光線追踪陰影更柔和、更逼真。 它們的暗度取決於物體阻擋的光量，甚至在陰影本身內，而光柵化似乎給每個物體一個硬邊。 光柵化的陰影看起來還不錯，但是在玩了帶有光線追踪陰影的遊戲之後，就很難回去了。
目前，遊戲中的光線追踪支持有點兩極分化，因為該功能必須分別為 AMD 和 Nvidia 卡實現。 更多遊戲支持 Nvidia 顯卡，主要是因為 Nvidia 是 2020 年之前唯一一家生產支持光線追踪的顯卡的公司，但更多遊戲開始支持這兩種口味。 後者的例子包括 Cyberpunk 2077、Dirt 5、Godfall 和魔獸世界：暗影國度。
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光線追踪：性能影響
談到 PC 圖形，一切都是有代價的，光線追踪的視覺效果也不例外。 啟用它通常會導致性能損失，其影響因遊戲而異。
讓我們以遊戲《古墓麗影》中的內置基準測試為例。 我在配備 AMD Ryzen 9 5900X 處理器、GeForce RTX 3080 顯卡和 32GB 內存的遊戲就緒台式機上運行它。 下面給出的數字是在兩種分辨率下測試的，是每秒平均幀數 (fps)。 流暢的遊戲至少需要 60fps。
光線追踪帶來的兩位數性能影響非常顯著，請注意，這是在啟用性能增強 DLSS 功能的情況下實現的。 DLSS 是某些遊戲支持的 Nvidia 特定功能，有助於減少光線追踪計算負載對幀速率的影響。 （有關 DLSS 的更多信息，請參閱我們的功能測試 Nvidia 的 DLSS 2.0：免費更高幀速率？）DLSS 顯示出巨大的希望，但遊戲必須支持它。 雖然這些天它正在獲得動力，但對它的支持遠非普遍。
請記住，這種性能權衡僅來自應用陰影和照明效果，因此今天的技術確實距離使用光線追踪渲染整個遊戲還有很長的路要走。 也就是說，在這種情況下，性能命中是最壞的情況，因為該遊戲具有光線追踪陰影設置，對性能的負面影響較小。
遊戲優化值得一提。 毫無疑問，開發人員將學習更好地優化光線追踪，就像他們進行光柵化一樣，因此應該可以從當前的硬件中獲得更多的光線追踪效果。 （再次，看看光柵化已經走了多遠。）
我們審查過的關鍵光線追踪遊戲
DLSS 也是一種會有所幫助的方法，我們預計 DLSS 會隨著時間的推移進行改進和擴展。 AMD 還在開發自己的 DLSS 式性能節省替代方案，稱為“超分辨率”。 Super Resolution 正在與 Microsoft 的 DirectML 團隊（“ML”是“機器學習”的縮寫）一起開發。 然而，AMD 表示，這項技術仍有出路，我們最早可能要到 2022 年才能看到任何使用它運行的遊戲。
光線追踪的未來：逐漸升溫
儘管光線追踪在當今遊戲中的應用有限，但它仍然存在。 自從 AMD 跟隨 Nvidia 推出支持硬件光線追踪的 Radeon 顯卡以來，這篇文章就一直在寫。 Xbox Series X 和 PlayStation 5 中的硬件光線追踪支持進一步推動了這一點。
在這方面，已經為主機遊戲玩家選擇了採用光線追踪。 它也適用於購買現代中高端顯卡的 PC 遊戲玩家，因為所有最新型號都支持硬件光線追踪，但問題仍然是使用舊顯卡或低端顯卡的遊戲玩家應該升級，還是市場上的玩家升級應該小馬起來。
簡而言之，除非您確定視覺差異物有所值，否則沒有必要投資支持硬件光線追踪的顯卡。 光線追踪目前對遊戲幾乎沒有其他優勢，因此歸結為簡單的享受。
顯卡當前有限的可用性和高昂的價格使得光線追踪的投資比應有的更大，所以除非你有幸獲得 GeForce RTX 或 Radeon RX 6800 卡，否則保持光線追踪可能是有意義的願望清單並將現金用於遊戲。 從長遠來看，這種策略可能會取得更好的效果，因為您可以在等待時重新體驗您購買的任何添加了光線追踪支持的遊戲。