E3 2019 | 光線跟蹤將為遊戲帶來怎樣的變革？

隨著今年 E3 微軟公佈新一代 Xbox，兩款新世代主機都已確定將支援實時「光線追蹤」。其實隨著英偉達去年公佈新一代 RTX 系列顯示卡，這一名詞已經為越來越多的玩家所熟知。那麼這個神祕的新技術背後是什麼原理，對玩家們來說又意味著什麼呢？

四月，索尼官方首次公佈了下一代 PS 主機的具體細節。微軟也在今年 E3 釋出會上公佈了其新遊戲主機代號「Project Scarlett」。主機平臺的未來格局終於變得更加明晰。

不過，截至目前，還有很多細節沒有公佈。索尼表示，公司不會在 2020 年前發售 PS5 （名字未定）。微軟表示，Project Scarlett 計劃於明年假日購物季正式同大家見面，屆時將會與《光環：無限》一同上市。

同時，本次世代主機在遊戲畫面展示上都有一個關鍵特點，而且這一特點彷彿同時得到了主機端與 PC 端的垂青。顯然，我們知道 PS5 和 Project Scarlett 都將支援 8K 解析度，不過在大多數消費者眼中，8K 解析度已經不是什麼亮點了，這並不是我們今天討論的重點。


今天我們要說的是，光線跟蹤技術，具體一點，就是實時光線跟蹤。從遊戲畫面的角度來看，光線跟蹤是最近非常流行的一個詞。當然，它之所以這麼火，也是理所當然的，因為光線跟蹤就是未來的大勢所趨。

這種技術以前主要用於好萊塢大片的製作，通過這項技術，電腦可以生成動畫影象和某些視覺效果，這種技術還可以用於將電腦生成的影象與實景鏡頭無縫銜接。現在，我們已經明確知道，PS5 和 Project Scarlett 都將支援實時光線跟蹤。毋庸置疑，實時光線跟蹤將成為下一代遊戲畫面的重要元素之一。

不過，為什麼光線跟蹤對遊戲如此重要呢？它跟幾十年前遊戲製作們製作遊戲的方式有何不同？下面讓我們一同探討這個問題，不過請大家放心，我們的講解會盡可能地接地氣，易於大家理解。

首先，什麼是光線跟蹤？它的原理又是什麼？

現實生活中，我們之所以能看見一切事物，主要是因為光線照射在物體上。光線被物體吸收、反射和折射的不同角度後到達我們眼睛中，就會決定我們看到什麼樣的影象。

光線跟蹤則剛好相反。正如其名字所言，光線跟蹤指通過跟蹤從玩家的眼睛或者鏡頭出發後到達影象物體的光路來生成影象的方法。這種方法比直接跟蹤光源發射的所有光線要高效得多，畢竟，去處理那些沒有進入人眼的光線是非常浪費算力的。

光線跟蹤的演算法會考慮到材料和光源等元素。例如，兩個相同形狀的橘色籃球，如果其中一個籃球是用皮革做的，另一個的材質是橡膠，那這兩個籃球會產生不一樣的視覺效果，因為光線跟這兩個籃球發生了截然不同的互動作用。金屬和硬塑料等反光物體會產生反射，並間接照亮附近的物體，處於光路中的物體就會產生陰影。氣體和水等透明或者半透明的物體會使光線發生折射（彎曲），就如同吸管在水中因為折射，看上去就像斷了一樣。

因為光線跟蹤是基於模擬現實世界中光線運動，以及模擬其與不同介質和材料發生互動作用的方式實現的，換言之，光線跟蹤是遵循物理定律的。因此，通過光線跟蹤製作出來的畫面將會非常真實。這也就解釋了為什麼光線跟蹤經常運用於電影製作之中。不過，光線跟蹤的缺點在於，它需要高強度的運算能力，所以在過去這種方法無法應用於實時渲染遊戲畫面，直到最近，這種構想才成為可能。

為了解釋其原因，我們接下來將進一步探討光線跟蹤實際運作方式的一些具體細節。我們先把上面圖片中的網格看作是計算機螢幕。為了渲染現代電子遊戲中的某處場景，計算機需要將遊戲中 3D 的虛擬世界投射到 2D 的網格（也就是計算機螢幕）上。這樣，計算機就必須得決定螢幕上每一畫素點的顏色，而 1080p 的畫面就擁有超過 200 萬個畫素點。

首先，把來自鏡頭的一條或者多條光線投射過每一畫素點，然後觀察觀光線是否同任何三角相交（電腦影象中的虛擬物品由多邊形組成，它們有時由成千，甚至上百萬個三角構成）。如果有一條光線照射到了某個三角上面，電腦演算法就會利用三角的顏色以及其與鏡頭的距離等資料來進一步決定畫素的顏色。

此外，光線有可能在三角上發生反射，或者是穿過三角，從而產生更多的光線。僅僅跟蹤單一光線並不足以製作出逼真影象。光線越多，影象質量就越高，當然，製作成本也就越高。


維塔數碼（Weta Digital）和皮克斯（Pixar）等公司都有「渲染農場（render farms）」，這種超級計算機通過讓數萬個處理器核心協同運作，能夠在數小時內生成 CG 動畫電影的場景，或是一幀特定的視覺特效。

但遊戲的每一幀所涉及的所有 CPU 和 GPU 運算都必須瞬間完成，因為主機必須在一秒內渲染三十幀影象，才能給玩家帶來流暢的遊戲體驗。這就是為什麼預先渲染好的過場動畫會比實時遊戲畫面的畫質更高，因為製作者們能夠提前渲染好影象，同時他們也能夠往畫面中新增更多內容。

相反，幾十年來，實時電腦畫面的渲染都是通過「光柵化（rasterization）」這一過程來實現的。雖然這個過程也需要消耗大量算力，但現代 GPU 已經能很好地利用這一技術來快速繪製多邊形，並把繪製出的多邊形轉變成畫素，隨後在上面新增陰影或者光效。

但是，在製作實時畫面的過程中，尤其是在光效方面，光柵化技術有一定侷限性。近幾年，遊戲製作們也想出了一些巧妙的方法來製作反射、陰影以及間接照明等光影特效，但是很多方法最終都無法得以實施，由於那時光線跟蹤技術還沒有得到應用，他們需要想出另一種解決方法。

最新的渲染影象技術就是同時利用光柵化和光線跟蹤，讓這兩種技術分別承擔最適宜的渲染任務。去年秋天，英偉達首次通過發行新的 RTX 系列顯示卡，將光線跟蹤技術推向消費者，顯示卡內有專門用來進行光線跟蹤運算的硬體。四月，英偉達推出了新的驅動程式，讓公司旗下的某些 GTX 顯示卡也能支援光線跟蹤，雖然畫面效果比新顯示卡稍微遜色。

EA 旗下工作室 DICE 在《戰地 5》中的光線反射上運用了光線跟蹤，水晶動力工作室（Crystal Dynamics）把該項技術重點用到了《古墓麗影：暗影》的陰影渲染上，而 4A Games 在《地鐵：離去》中則藉此實現了全域性光照和環境光遮蔽效果。現在支援光線跟蹤的遊戲還非常有限，但這種局勢在未來很有可能發生轉變。

為什麼說光線跟蹤是未來遊戲大勢所趨呢？

現在，遊戲實時光線跟蹤還處於發展初期。雖然英偉達的 RTX 系列顯示卡的確能給光線跟蹤技術提供硬體支援，但也是唯一面向消費者的光線追蹤顯示卡，這也是為什麼現在很少有遊戲利用這一技術的原因。但是，隨著投資的不斷增加，光線跟蹤的前景也會變得愈發光明。

DX 12 是支援 Windows 和 Xbox One 遊戲執行的關鍵軟體。去年秋天，微軟已讓 DX 12 支援光線跟蹤技術。在 2019 年 3 月召開的遊戲開發者大會上，Epic Games 和 Unity Technologies 都宣佈，他們各自的 Unreal 引擎和 Unity 引擎（現代遊戲開發最流行兩款引擎）都已支援光線跟蹤技術。Crytek 很快也將為 CryEngine 引擎引入軟體端的光線跟蹤技術。這就意味著，CryEngine 引擎製作的遊戲將不需要藉助英偉達 RTX 顯示卡等特定硬體來實現光線跟蹤。

Cryengine 光線追蹤效果演示：https://www.bilibili.com/video/av46398489

在光線跟蹤技術方面，英偉達的主要競爭對手 AMD 並沒有坐在一旁觀望。AMD 目前還沒有推出能為光線跟蹤技術提供硬體支援的 GPU。在當地時間 6 月 10 日，AMD 在 E3 展會上公佈了兩款基於下一代 Navi 架構的新顯示卡 Radeon RX 5700 XT 和更為實惠的 RX 5700，然而，AMD 並沒有提及光線跟蹤技術。不過，Project Scarlett 和下一代 PS 主機都將使用 AMD 的處理器，包括基於 Navi 打造的定製 GPU。所以看起來，基於 Navi 架構的 PC 顯示卡支援光線追蹤也是理所應當。

AMD 有望在一年內像英偉達一樣，公佈支援光線跟蹤的顯示卡。到那時，可能距 PS5 和 Scarlett 發售已經不遠了。此舉將會為光線追蹤的廣泛使用打下堅實的基礎，並且會讓越來越多的遊戲開發者願意使用這一技術。同時也會推動遊戲畫質的進一步發展，讓遊戲畫面達到前所未有的新高度。

翻譯：小權
編輯：Tiger
來源：篝火營地
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