RTX2080Ti支持的实时光线追踪到底是什么！比上代强多少？

时间：2018-08-25 19:39:46 来源：作者：网络

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GDC 2018上，微软率先为DirectX 12 API增加了光线追踪模块，命名为DirectX Raytracing (DXR)；NVIDIA则是发布了基于实时光线追踪的RTX技术；AMD也宣布是自家的ProRender渲染引擎将支持实时光线追踪。此外诸如EA 寒霜引擎、EA Seed、Unreal 引擎、3DMark、Unity 引擎已经宣布将会引入光线追踪。但这些似乎距离我们还有些遥远，直到前两天NVIDIA发布了RTX 2080 Ti、RTX 2080、RTX 2070游戏显卡，明确表示从硬件级别支持光线追踪！那么到底什么是光线追踪？

光线追踪能达到什么样的效果？其实这个我们每一个人都体验过，绝大部分科幻、动作电影里面或多或少都会用上光线追踪这一技术。比如令人血脉贲张的《极品飞车》、《权力游戏》中的火焰、烟雾和爆炸效果仿佛身临其境，可以说光线追踪生成的影像与摄影机拍摄的影像难以区分，这就是光线追踪能达到的极致效果。但具体如何做到的？

光栅化

想要了解什么是光线追踪，这里我们不得不提及耳熟能详的专业名词“光栅化”，因为它是光线追踪的基础，也是高效替代方案。为什么会出现这样看似矛盾的定义？

因为光栅化是一个非常宏大的概念，它有可能是指代某一个框架，也可能是具体到某一个技术上。就目前现阶段来说，我们并不愿意将光栅化放到与光线追踪的对立面上，因为光线追踪还是需要光栅化作为基础，同时起到锦上添花作用，因此现阶段实现的依然是混合渲染，两者相辅相成，缺一不可，并不是部分自媒体吹嘘的那样，光线追踪可以完全替代光栅化。

光栅化的简单原理：

按照字面意思就是把图像栅格化、像素化，将电脑生成的矢量图转换成屏幕像素点的过程。比方说，游戏中物体建模的时候都是三维，由点线面构成，但要显示在二维的显示器上，就需要一个“降维打击”——光栅化，成为能够被显示的像素点，其实就是三维向二维的转化过程，这是目前渲染的基石。

光线追踪

而在电影行业中，早就用上了我们提及的光线追踪，他们已经有相当成熟的解决方案，完全可以达到以假乱真的效果，你看看漫威的科幻大片，是不是给你一种异常真实的错觉？没错，这就是光线追踪的魅力。

至于为什么电影行业能这样做，原因不外乎有两个：一是有时间，他们采用的离线光线追踪，是要慢慢一帧帧渲染出来；二是有钱，通常特效工作室会使用到NVIDIA所说的渲染农场，不是一台电脑在算，而是一个个渲染集群服务器在工作，算力是你机箱里的GTX 1080 Ti成千上万倍，因此它们可以这样玩。

光线追踪目前的瓶颈——计算量庞大、小样本计算噪点

光线追踪是三维计算机图形学中的特殊渲染算法，它与之前计算光源光线传播路径不一样，利用光的可逆性质，反向计算，跟踪从眼睛发出的光线，通过技术生成编排好的数学模型展现出来，这样的得到画面效果更佳，对于反射与折射有更准确的模拟效果，并且效率非常高，因此在电影制作过程往往会采用这种高质量的渲染方式。

但很遗憾，光线追踪最大缺陷在于对算力要求极高，计算量非常庞大，目前的单一硬件很难满足实时光线追踪的需求。光栅图形学中的算法，利用了数据的一致性从而在像素之间共享计算，而光线跟踪通常是将每条光线当作独立的光线，每次都要重新计算。所以尽管电影特效工作室有庞大的计算集群，但他们也会“偷懒”，只有在关键帧、关键元素上采用光线追踪来处理，其余部分依然使用光栅化进行渲染，依然能够提供非常出色的画面效果。由此可想而知计算量之大。

按道理来说，每一条光线都有自己的计算，可以正确地处理出光线反射、折射等光学现象，但实际出来的效果有可能与真实情况不一样。这因为最终的画面是求解通过渲染方程得到，但有时候方程式解不出来，只能利用蒙特卡洛积分做近似解，需要用到大量的样本进行求解，在电影使用的离线渲染中，由于没有计算时间限制，他们通常会采用几百到几千以内大样本进行计算，出来的光线追踪效果会更好。

一旦用到游戏上就不同了，要达到60fps，也就是一帧只有16ms时间给你进行光线追踪运算，那么样本只能尽可能小，这样就会导致出来解不够准确，画面会有大量噪点。

NVIDIA开创了实时光线追踪新时代

NVIDIA已经预料这一点，针对极低样本数量的光线追踪结果进行实时降噪的研究，并且取得了不错的结果，最后成为GameWorks SDK 中一个光线追踪降噪模块，也就是Denoising算法。最终可以用比较低样本的光线追踪应用到实时渲染中，最终渲染质量可以媲美大样本下的光线追踪收敛图像。

另一方面，随着显卡计算性能日益提升，NVIDIA认为显卡加入硬件级光线追踪支持的时机已经成熟，光线追踪也会成为未来3A级游戏竞相使用的技术，以达到玩家们梦寐以求的画面效果。因此NVIDIA在经历Volta游戏显卡跳票后，带来了拥有专门处理光线追踪的RT Core的Turing游戏显卡，不仅仅可以让游戏开发者进行实时光线追踪计算，所见即所得，而玩家也能从游戏中感受到前所未有、电影级的画质。