搭載「光線追蹤」技術的次時代主機會有怎樣的畫面表現？

根據目前已知的情報，次時代的 PS 和 Xbox 主機（下文統稱為次時代主機）都將搭載「實時光線追蹤」技術。相信已經有不少文章對於光線追蹤這項技術進行了說明和介紹，然而其中鮮有提及其會給次時代家用主機的畫面表現帶來怎樣的影響，本文將以此為核心，講講光線追蹤技術將會給家用主機帶來的變化。

為什麼需要光線追蹤？

首先不得不說的是，儘管搭載了實時光線追蹤技術，但並不代表著遊戲畫面中的所有要素都將以光線追蹤的形式進行呈現。從初代 PS 主機就開始使用的「柵格化（Rasterise）渲染」，在次時代主機中依舊還會沿用。那麼到底哪些場景會運用光線追蹤技術來呈現呢？那就是當使用現有的柵格化渲染的影象出現「呈現出不真實感」或是「在惡劣條件下，品質明顯下降」的情況時。

其中一個關鍵點就是「映象」的細節。試想在一個激烈的賽車比賽現場，明明車體上能夠對映出周圍的天空、雲彩和美麗的環境，但卻沒法呈現出對手車體的倒影，玩家明顯會產生不自然的感覺。


另一個難點就是影子。使用柵格化渲染，影子很難能夠表現物體的細節，腳和地面連線處的影子也會有錯位現象。同時在表現遠距離投射下來的長影時，會有明顯的鋸齒感。

物體不僅僅要接受直接光源的照射，還要表現出受到其他物體的反射光，也就是「間接光源」所照射的效果，實現類似效果的技術其實也是從 PS3 時代的中期才開始漸漸普及的。「掀開窗簾後，陽光照射進屋內，昏暗的小屋一下明亮起來……」這樣在現實中理所應當的場景，在 CG 的製作中其實是很難攻克的話題。

影象在這些方面的表現難度，哪怕是目前最新的 GPU，也沒法直接處理光線的照射效果，必須得捨棄畫面外的情報來進行運算。因為說到底，柵格化渲染技術是基於計算畫面中每個畫素的色彩來渲染影象的，無法準確判斷和計算 3D 空間記憶體在的第三者帶來的影響。而最初柵格化渲染技術就是特地省略了這部分高負荷的內容來實現高速的計算效果，以此為基礎的 GPU 技術，也從 1990 年代開始不斷地進化。

說了這麼多，光線追蹤技術其實就是克服了上文中提到的傳統渲染手段的弱點，具有「採集畫面外情報並進行計算」的能力，解決了如何在計算畫素色彩的同時，兼顧第三者影響的難題。



次時代主機的畫面究竟是什麼感覺？

先前的情報已經確認，次時代的主機將會搭載由 AMD 生產的 GPU。而競爭對手英偉達則領先一步，在 2018 年夏天就已經將搭載了光線追蹤技術的 RTX 系列 GPU 投入了消費者市場。按照目前的推算，次時代主機的光線追蹤效能應該會與 RTX 系 GPU 的水平基本相同或稍低一些。因此目前已上市的支援光線追蹤技術的遊戲，在使用 RTX 系 GPU 的 PC 上的畫面效果應該會和未來的主機畫面效果十分接近。



「光線」就像是宇宙探測器

光線追蹤（ray tracing）中的「ray」儘管被翻譯為「光線」，但實際上更接近於由畫素點向整個 3D 空間發出的宇宙探測器。而光線追蹤技術會將這些探測器一一回收，並根據其中的情報來計算該畫素應該呈現的色彩。從每個畫素髮出的探測器越多，就能夠更準確地再現出這個「浩瀚的宇宙」也就是遊戲內的 3D 世界。

比如說現在有 10 個光源，每個光源都會生成對應的陰影。那麼各個畫素點就得向每個光源都發射光線，來確認是否有遮蔽物之類的情報。如果只向其中 4 個光源發射的話，剩下的 6 個光源就不會形成陰影。

那麼以目前搭載了實時光線追蹤技術的 GPU 效能，在 1080P 解析度下呈現 60 幀的畫面時，每一個畫素大概能發出多少光線呢？因為目前次時代主機所使用的 GPU 型號尚未公開，所以我們只能以英偉達最新發售的 GPU 的相關資料來作為參考。


雖然看上去能射出不少數量的光線，但考慮到處理每束光線的情報帶來的負荷，實際能夠使用到的數量會更少。對於必須得控制售價的家用主機來說，比起英偉達的 GPU，效能恐怕也不會有很大提升。

從「光線追蹤」到「路徑追蹤」（path tracing）

目前的 GPU 已經搭載了光線追蹤技術，而今後隨著技術的進步，相信「每秒射出的光線數」也會有進一步地增長。伴隨效能提升的同時，利用光線追蹤來呈現的場景也會越來越多，圖形技術可能會邁入到一個全新的階段。

注：路徑追蹤：理論上是指由各畫素向全方位的空間發射無限數量的光線，再對其進行光線追蹤渲染，可以說是光線追蹤的高階概念。因為在現實中不可能射出無限條光線，所以目前實際表現為向隨機方向發射上百條光線的形式。在今年的 CG 國際會議上，英偉達的工程師曾提出了「遊戲圖形畫面將在2035 年實現對路徑追蹤的支援」的預測。

而次時代主機也將會參與進這次遊戲畫面的技術革新之中，相信大家都和我一樣非常期待它們的正式亮相。


編譯：Bluestoon
來源：Fami通