光線追蹤往事：十年技術輪迴

十年前，光線追蹤本來是英特爾對付英偉達的黑科技，結果不幸難產。十年後，光追終於應用到遊戲中，卻是在英偉達手裡發揚光大。好像完成了一個迴圈，但雙方的角色發生了對調。

當今遊戲界被炒得最熱的概念可能就是光線追蹤技術了，不僅僅是PC遊戲，就連次世代主機也把光線追蹤作為了主要亮點之一。

光線追蹤所展示出來的畫面效果也確實驚豔，讓我們感嘆影象技術又達到了一個新的高度。


但是實際上，光線追蹤並不是一個新技術，即使在遊戲界也不是什麼新鮮事了。10年前，光追就是遊戲玩家茶餘飯後的話題，英特爾、約翰·科馬克等都曾試圖將這項技術引入遊戲中，並預言它將是遊戲的未來。而如今大力推廣光線追蹤的英偉達，本應是這項技術的第一個對付的商業競爭者。

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2008年前後，英特爾和英偉達兩家大廠對於電腦顯示卡的存在意義展開了激烈的對線。

由於《孤島危機》這樣畫面精細對效能要求極高的遊戲的出現，讓顯示卡成為了電腦中的重要部件。遊戲玩家願意花更多的錢買一個更好的顯示卡，而不是CPU，這對英特爾是一個危險的訊號。


當時的英特爾在很多場合下表示，獨立顯示卡最終會被淘汰，未來的PC影象處理會逐漸整合到CPU中，並認為自己的CPU可以提供更好的遊戲渲染。

英特爾自信的來源，是他們認為找到了能擊潰英偉達，佔領次世代遊戲的祕密武器——光線追蹤技術。

傳統的顯示卡使用光柵式渲染技術呈現3D影象，這需要大量的手工設定，而且最終的結果只能在視覺上接近真實，但並不遵循物理規律。

光線追蹤技術則是模擬光線的傳播，電腦只渲染光線打到地方，因此僅需要很少的人工程式設計，相比於光柵式渲染簡便了很多。同時光線追蹤也能表現出相當真實的畫面，尤其是符合物理規律的光影效果。



光線追蹤技術需要大量的運算，因此更加適合CPU使用，這正是英特爾需要的武器。

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為了進一步在遊戲中推行光線追蹤，英特爾在2007年招入了德國人Daniel Pohl。

Daniel Pohl是埃爾朗根-紐倫堡大學的研究畢業生，在校期間他就一直在進行光線追蹤的研究。2004年，他將實時光線追蹤應用於《雷神之錘3》上。



雖然開啟光線追蹤後，遊戲只能在512X512解析度下，勉強得到每秒20幀的表現。但真實光影下呈現出的畫面，依然讓Daniel Pohl看到了影象技術的未來。

他在碩士期間又把光線追蹤用在了更現代的《雷神之錘4》上。加入英特爾後，Daniel Pohl將自己的成果和英特爾的CPU結合起來，成為了英特爾光線追蹤技術的早期Demo。

光線追蹤下的《雷神之錘4》表現更加驚豔，光的反射、折射，陰影的投射，都如同現實中一樣，會根據場景變化實時作出真實的反映。



然而Daniel Pohl的Demo還不夠引起遊戲廠商的興趣。

按照業界大牛，《毀滅戰士》的創造者，約翰·卡馬克的說法，“他們沒能讓展示出光線追蹤的核心的價值。”

“我覺得英特爾沒能給出足夠的吸引力，讓人覺得‘哦，這比原來酷10倍，我現在就想買新主機’。”

“他們研究《雷神之錘》的程式碼，去展示光追帶來的好處，證明它不是象牙塔裡的玩具。但他們是在用上個世代的技術，去向人們展示下個世代的遊戲畫面。”

光線追蹤加上上個技術的貼圖與建模水平，呈現出一種不協調的生硬感


雖然卡馬克表示自己不看好英特爾的研究路線，但對光線追蹤他自己也十分感興趣。

當時他正在著手開發他的次世代遊戲引擎id Tech 6，而在他的巨集偉計劃中，這款跨時代的引擎的一個特殊之處就是支援光線追蹤。


但他更感興趣的是光線追蹤的演算法，他說利用這種技術可以來儲存大量的資料，這樣id Tech6不用幾十GB的巨量資料，就能產生近乎無窮的多邊形細節。

“我覺得我至少能展示出一些在當前時代你沒見過的東西，甚至開發中的遊戲都沒有的東西。”

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Daniel Pohl在英特爾的研究不但展示了光線追蹤的好處，也暴露了它的問題：對電腦效能的極高需求。

如果要模擬漫反射或折射等光學的效果，需要計算大量的光線。而在動態時，由於空間構造和光影的實時改變，對計算速度的要求會更高。


但Daniel Pohl發現，多核心對於提高光線追蹤的效率有很大的幫助。如果想突破光線追蹤的瓶頸，他們需要更多的運算核心。

這也是英特爾始終對光線追蹤技術充滿信心的原因之一，他們下一款產品，恰好符合這個需求。

2007年英特爾宣佈將生產一款採用x86架構的多核心通用圖形處理器（GPGPU），代號Larrabee。與普通的顯示卡不同，Larrabee同時擁有CPU和GPU的特性，能提供較強的通用運算能力，同樣也可以進行圖形渲染。


雖然Larrabee預設的影象渲染模式依然使用光柵式，但多核心、可程式設計的特性，讓它成為了當時理論上光線追蹤能力最強的顯示卡。很多人猜測在Larrabee的幫助下，未來的遊戲也許真的能有實時的光線追蹤。

2008年英特爾展示了遊戲《深入敵後：雷神戰爭》在光線追蹤引擎中的執行效果。

與之前的Demo不同，《深入敵後：雷神戰爭》雷神戰爭當時才發售不久，就可以在720P下，以可接受的幀率開啟光追，這是一次新的突破。但這個演示最初並不是在PC上執行的，而是在一個裝有4顆至強處理器的伺服器上執行的。



2009年，英特爾把這段演示用Larrabee重新渲染了一遍，展示了船隻、天空在水面的逼真反射，時不時飛過的飛行器都在水面上真實的倒映了出來，讓人們對光線追蹤的未來充滿了無限的遐想。


然而Larrabee的釋出並不順利。自從公佈後，它就一直處於跳票狀態，始終披著一層神祕的面紗。

英特爾官方曾演示過超頻版的Larrabee達到了每秒1T FLOPS的浮點運算能力（作為對比，2013年底發售的初版PS4的浮點運算能力是1.84T），這依然達不到當時主流顯示卡的標準。

英偉達CEO黃任勳更直言Larrabee只是空中樓閣：“它只是幻燈片，幻燈片上的產品都看上去很美。”

2010英特爾宣佈因為Larrabee的開發沒有達到預期，將不會推出商用版本。

但Larrabee的夭折，沒有停止英特爾對光線追蹤的探索，他們又開了新的腦洞。

既然PC的機能有限，那麼就通過雲遊戲實現光線追蹤，用大型伺服器來渲染遊戲，然後把影象傳輸到個人電腦上。

之後英特爾演示了《德軍總部》的光線追蹤Demo，這個Demo執行在Knights Ferry伺服器平臺上，然後把影象通過千兆網路卡傳輸到筆記本上。


英特爾還嘗試了通過手機、平板裝置串流執行光追版《德軍總部》，雖然這個概念很有前瞻性，但在當時的條件下，雲遊戲並不比本地光線追蹤實際多少。


之後Daniel Pohl的研究逐漸進入瓶頸，在完成了《德軍總部》光線追蹤的相關研究後，他的工作逐漸開始向新興的VR領域轉移，也宣告了Intel光追夢到此告一段落。

也就在那段時間，卡馬克離開了id Software，也投身於VR技術的研究。留下了未完成的id tech 6引擎。

就這樣，光線追蹤成了英特爾和卡馬克都沒能跨越的技術高峰，逐漸遠離了大眾的視野，等待下一個時間點的到來。

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直到2018年，英偉達向全世界展示了RTX系列顯示卡，聯合微軟的DirectX光線追蹤API，再一次把光線追蹤技術介紹給遊戲玩家，並稱其將帶領PC遊戲進入黃金時代。


卡馬克看到英偉達的光線追蹤後，在推特上留下這樣一句話：“暫時對於DX新的光線追蹤還沒有什麼評價，短期內可能也不會有，但是……哎呦（扎心了）。”


2019年，英偉達又聯合id Software展示了RTX光線追蹤如何讓老遊戲重獲新生，這次使用的遊戲恰恰就是當年英特爾選擇的《雷神之錘》系列，不過是年代更早的《雷神之錘2》。在最新的光線追蹤技術下，這款遊戲呈現出了驚豔的畫面表現，也讓人們對光線追蹤有了全新的認識。


有趣的是，最近英特爾也宣佈，將在2020年推出Xe獨立顯示卡，重回光線追蹤的世界。

十年之間好像完成了一個迴圈，但雙方的角色卻發生了對調。

在光線追蹤的競賽中，英偉達撿起了曾經砍向自己的劍，先行者英特爾反而慢了半拍。

新技術的發展往往受到時間的制約，就像電動車、VR，其實都不是新的概念，但只有在特定時間點，那些“不切實際”的概念才真正得以推行。最終成功的人，往往是選擇了恰當時機，而曾經那些瘋狂想法的人們則隨著時間成了歷史。

但這些歷史同樣值得回味。因為人類登上月球的第一步，就開始於千百年前的某次仰望星空。


作者：百頁豆腐
來源：遊戲研究社
原地址：https://mp.weixin.qq.com/s/2MVOOP1rYVMpoXK2jcb4wQ