是时候聊一下光线追踪了

首先是声明：本文大部分源自我2013年在显卡吧发的帖子，部分内容参考MC

在3月19日的GDC大会上，微软正式公布了DirectX Raytracing（DirectX光线追踪，简称DXR）的新功能，整合进DX12 API，让图形硬件可以进行实时的光线追踪，而根据GDC上多家厂商的演示视频，相比现在的游戏画质，提升可以说是质变（下图）。

目前包括3Dmark、北极光、寒霜、SEED、虚幻4和Unity等引擎均已准备将DXR技术整合进自家引擎之中，NVIDIA也随着微软的脚步推出了RTX Technology，支持光线追踪。不过最低支持好像需要volta显卡，也就是目前的pascal无法支持（emm，这算是逼迫玩家换显卡吗？）。而AMD也于3月20日推出了他们家的光线追踪技术---ProRender，可见光线追踪时代到来已经是定局。

DXR的最终目的是用来取代目前的光栅化技术。不过就目前来说，它还不能做到这样，仅仅只能用作当前渲染技术的补充，因为硬件机能还远远不够。这也就是今天我们要聊的话题。

其实光线追踪早就不是什么新鲜的事物，它在电影制作中早已遍地开花。著名的阿凡达便是光线追踪渲染出的电影作品。而游戏上也不是首次应用，不过既然要聊光线追踪，那么我们就从光线追踪的原理说起。

P1：光线追踪的原理

大家在游戏中对游戏中水面相信并不陌生。目前见过最好的游戏水面也就是孤岛危机系列中的了吧？但是比起电影，比如刚刚说过的阿凡达。你会发现孤岛危机中的水面已经被秒的渣渣都不剩。这是因为，我们目前的游戏，都在使用光栅化算法。而在这些电影中，则采用的光线追踪算法。而我们经常看到的3DS Max、Maya等软件最终渲染出的图片，也是用光线追踪算法渲染的。因为光线追踪是用来模拟现实中光线的各种现象（比如折射，衍射，散射，反射，吸收等）以及传播过程，所以光线追踪可以渲染出我们肉眼无法分辨的场景（你看出来阿凡达所有场景是渲染的了吗？）

光线追踪是模拟的我们人眼看到可见光的过程（下图）。 它源自于几何光学通用技术，通过追踪光线与物体表面发生的各种交互（比如折射，反射），最终得到光走过的路径。简单打个比方，假设屏幕不是屏幕，而是一块玻璃，这块玻璃内构筑出一个“真实的”世界，只要找到这块玻璃内能透过人眼的光线，加以追踪就能构建出完整的3D画面。

既然光线追踪这么好，那么为什么不用它呢？因为光线追踪非常的吃资源。所以目前游戏基本都以光栅化渲染为主。因为光栅化只需要计算数学模型到屏幕上的过程，所以光栅化有着很高的效率，而对游戏来说，每秒钟24帧以上的计算量是保证游戏性的前提，所以高效率的光栅化取代了光线追踪成为了3D游戏渲染的主力。而它的缺点也很明显，因为它无法计算真实的光线路径，所以很多地方会失真，比如下图中的远哭1.

光线追踪算法分为两种：正向追踪算法和反向追踪算法。其中，正向追踪是大自然的光线追踪方式，即由光源发出的光经环境景物间的多次反射、透射后投射到景物表面，最终进入人眼的过程。反向追踪则是观察者的角度出发，只追踪那些观察者所能看见的表面投射光。正因为这个特点，所以目前主流的光线追踪都是反向追踪，因为这样足够，而且可以大幅度的节省计算机本身的资源。

P2:光线追踪如何工作？

对我们的生活而言，常见的光现象无非折射，反射，吸收这三种。一束光经过各种反射，吸收，改变了光原本的光谱，而改变之后的光再经过多次的反射，吸收等过程，最终进入我们的眼睛，这就是光线追踪要做的事情。

那么说了光线追踪的工作过程，那么就让我们来看看实际应用吧。在实际应用中，根据使用者的设置，光线追踪会赋予每个像素点几条到几十条不等的光线，在场景内传播，而因为场景内的物体已经早已被开发者赋予好了各种属性，光线经过这些物体之后会发生各种改变，最终呈现在屏幕上。但是这么做会出现一个问题，因为有些光线并不是我们所能看到的，这时候计算它就会造成不必要的性能浪费，所以就有了反向追踪。所以反向追踪算法中，光线会被分类，假设这条光是不可见光，系统就会自动抛弃掉整个光路，如果可见，就开始计算，最终得出画面。下图就是一张早已被广泛传播的光线追踪作品。

P3：实际应用？

熟悉intel的肯定不会忘记Larrabee，这是intel曾经计划推出的独立显卡。而这个项目主要负责人Daniel Pohl曾经在2004年用光线追踪技术重做过雷神之锤3。这是因为这款游戏的母公司idsoftware开源了该游戏。而且给雷神之锤3增加光线追踪技术很简单，只需要10行左右的代码就可以完成。下图就是用光线追踪技术的雷神之锤3，这水面，你能相信这是一款2001年的游戏？也正是因为这件事，Daniel Pohl被intel看上并招入公司。而Larrabee也曾经被intel寄予厚望，因为Larrabee是源于CPU架构，所以特别适合用作光线追踪计算，但是各种原因让Larrabee一度折戟，至今也没有什么起色，而就目前而言，说intel已经完全放弃了Larrabee估计也没人有不同意见。

P4：未来

为什么光线追踪不能成为主流？无非就是计算量过大，哪怕是反向追踪算法也不行。在光线追踪版的雷神之锤3中，Daniel动用了20颗Athlon XP 1800+CPU集群，以及一块自己设计的FPGA，时钟为90MHz，支持光线追踪技术，性能相当于P4 12GHz的显卡。才在512x512分辨率，4xFSAA下跑到20fps。

而根据intel当年的说法，要达到可以流畅运行游戏的程度以及当年的游戏画质，需要计算大约10亿束光线，那么这个10亿束是怎么来的呢？假设每个像素点30束光线，那么在1024*768分辨率下一共有786432个像素点，每秒达到60fps，最终结果就是786432*60*30=14.1亿，这个数字已经相当恐怖了，而且用的还是过时的1024*768分辨率。要知道在当年旗舰是i7 3970X，每秒能计算的数量也就1000万条左右，离需要的数值还差十万八千里，所以我们只能寄希望于显卡来完成这个工作。而且光线追踪的恐怖计算量下需要大量的显存，即便是目前的泰坦V估计也会出现显存不足的情况。而下图分别是由光栅化渲染的玉龙和光线追踪的玉龙，可见其差别。

时隔多年，我们终于看到微软把光线追踪技术加到了自家的DirectX引擎中，而随着NV和AMD的跟进，可以猜到大概是光线追踪技术已经成熟，期待未来光线追踪技术能给我们的游戏体验带来质变。

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