在去年3月份的GDC 2018上，微软为DirectX12 API增加了光线追踪模块，并且将其命名为DirectX Raytracing (DXR)，随后紧接着NVIDIA发布了基于实时光线追踪的RTX技术，而游戏界的几大引擎包括寒霜引擎、SEED、虚幻引擎、Unity以及Futuremark 都宣布将增加DXR支持。

随着去年8月份NVIDIA新一代RTX20系列显卡的正式发布，光线追踪这个名词再一次出现在了玩家面前。那么光线追踪到底是什么，它会如何改变我们的游戏，和小狮子一起来看看吧。

什么是光线追踪？

说到光线追踪就不得不提到从过去到现在很长一段时间内游戏都用到的一种渲染方式——光栅化渲染。这种技术是将一个3D图形的几何信息转变为一个个栅格组成的2D图像的过程。这么说可能有些空洞，可以简单地理解为是将三角形用数学方式投影到屏幕空间再进行光影计算，进而呈现在显示设备上，这一过程也就构成了我们视觉所看到的各类阴影效果以及光线投射。

虽然通过这种方式我们也能看到非常逼真的阴影，但这一切都不一定是真实的，都是游戏的设计者结合环境进行设计和计算的，如果开发者对这处阴影的判断是对的，那么画面上的效果也就是对的，反之，如果开发者的判断是错误的，那么在不可能出现阴影的地方有了阴影，一切都仰仗开发者的经验。

虽然游戏开发者可以通过大量的模拟计算能做到无限接近于真实状态，并不能保证这就是真实的效果。而且由于光影是事先设定好的，所以游戏中产生的环境的变化通常也不会对已有的光影造成影响，就会给玩家带来一种错误的误导。

光栅化渲染是一个将3D转换为2D的过程

而光线追踪就是来解决这个问题的。光线追踪其实并不是一个陌生的新技术，光线追踪技术其实很早就已经应用到电影、3D动画中，它能够在图形渲染过程中实时追踪环境与物体的光线，准确的对光线、阴影进行绘制，可以带来真实的光影效果。

那些令你激动不已的动作大片中的火焰、烟雾和爆炸效果让人仿佛身临其境，这就是光线追踪能达到的极致效果——光线追踪生成的影像与摄影机拍摄的影像难以区分。虽然这是一项非常不错的技术，但是由于计算量实在太大，仅靠CPU来进行实时渲染是一件不现实的事情，所以一直没有在游戏中应用。

与光栅化渲染不同，光线追踪是以光源为起点定义光线，进而追踪由此产生的光线与物体表面以及光线与光线之间交互关系的过程。虽然定义很简单，但实现起来却非常困难，因为这一技术需要无限多的光线照射在物体表面，通过反射、折射、漫射等途径进入最终的“摄像机”成像，而这种计算会消耗大量的计算力，目前的单一硬件很难满足实时光线追踪的需求。

电影中可以使用“渲染农场”这样的集群来进行离线渲染，且很多时候还只渲染关键帧和关键部位，其他部分依旧用光栅化渲染来完成，放到游戏的实时渲染上几乎是无法完成的。所以NVIDIA推出的RTX 20系显卡包括现在绝大多数光线追踪技术都是采用逆向方式来实现，即以“摄像机”镜头为出发点，反向回溯光线并通过这些光线寻找光源。

实时光线追踪原理示意图

可以说，这次英伟达RTX20系列显卡之所以被称为划时代的显卡，不仅是因为它使用了最新的图灵架构，更多的还是它第一次把实时光线追踪技术引入到游戏领域。对于游戏而言，光线追踪虽然不能很直接的改变画质，但是能使画质更接近真实。这或许是游戏硬件在暴力发展运算能力之后，迎来了一次对画面上的更新，未来应该也是3A大作新的方向。

那么，怎么开启光线追踪？

前面吹得那么好，那么怎样才能用上光线追踪呢？这又是摆在玩家面前一个非常现实的问题。一块支持光线追踪的NVIDIA RTX20系列显卡是必不可少的了，几天前老黄在CES上发布的RTX2060系列也是支持光线追踪的，这算是能让光线追踪以较低成本体验的第一步吧。

有了显卡还不够，开头我们说了，微软为DX12加入了DirectX Raytracing（DXR）模块来实现光线追踪在API层面的支持。所以要想用上光线追踪，还得升级DX12，而这个DX12的更新是跟随微软秋季更新一起。对，就是那个号称Win10史上最大BUG的1809更新，不过放心，现在重新放出的1809已经解决了很多BUG了。

在硬件和API层面的问题都解决了，那么现在只需要游戏支持就能玩上了！在去年8月的时候，NVIDIA宣布有11款游戏支持或即将支持实时光线追踪，他们是《神力科莎 Competizione》《Atomic Heart》《战地5》《Control》《Enlisted》《逆水寒》《剑网3》《MechWarrior 5：Mercenaries》《地铁：离去》《ProjectDH》《古墓丽影：暗影》，看上去阵容还不错吧，其中还有两款国内的网游大作。

然而四个多月过去了，现在市面上支持的依旧只有《战地5》一款，显得略微有落寞。毕竟引擎级别的变化要实现起来也不是那么容易的一件事，但是我们相信，一旦这扇门被打开，将是一个全新的体验和世界。

实机测试 光线追踪到底有多吃性能？

既然说了这么多，那么开启光线追踪对性能到底有多大影响呢？我们进行了实机测试。

测试平台

CPU：Intel 酷睿i7-8700K

内存：芝奇幻光戟 DDR4 3200 8GB × 2

主板：华硕ROG MAXIMUS XI HERO（WiFi）

硬盘：西部数据Black NVMe SSD 1TB

显卡：华硕ROG STRIX GeForce RTX 2080 TI-O11G GAMING

显示器：华硕ROG PG27UQ

电源：华硕雷神1200

操作系统：Windows10 64bit 1809专业版

显示驱动：417.71

为了能更好的反映各分辨率下不同的性能差距，我们选择采用华硕ROG STRIX GeForce RTX 2080 TI-O11G GAMING这样的顶级游戏显卡，看看顶级显卡在游戏中的实际表现，同时在3DMark测试中加入RTX2080，以看看旗舰和次旗舰的性能差距。测试时所有特效全部为最高，仅调整DXR效果。

因为《战地5》没有Benchmark，所以我们选取了单人关卡的几个固定场景进行一段时间固定路线奔跑后截取平均FPS进行测试，从最大程度上消除环境变化导致的FPS表现上的差别。从上面的测试结果我们也可以看到《战地5》在不开启光线追踪的情况下并不太吃显卡性能，RTX2080 Ti即使是4K下可以轻松超过60FPS，运行非常流畅。

从测试结果我们可以看到，《战地5》在不开启光线追踪的情况下并不太吃显卡性能，RTX2080 Ti即使是4K下可以轻松超过60FPS，运行非常流畅。但在“北非：单枪匹马”这个场景中1080P分辨率下开启最高等级DXR，帧数直接降到了一半以下，即使是低等级DXR，帧数也下降了50多帧，这说明DXR的计算量非常巨大。

而不同复杂度的场景对帧数的影响也不同，“北极之光”这样的雪地场景性能下降没有那么明显，DXR四个等级之间的帧数相差也不大，不过在4K分辨率下依旧低于60帧。

画面对比 光线追踪能带来多大提升？

我们对比了特定场景开关DXR和DXR四个等级特效下的画面。

从画面中可以看到，光线追踪的效果主要是体现在有光线反射的地方，如果场景中能够形成镜面的物体比较多的话，就会有比较明显的效果，通常在火焰、水面、玻璃这些地方会有比较明显的效果。

NVIDIA官方给出的效果图

我们也为大家准备了一个DXR效果对比视频，从上到下从左到右依次为最高，高。中，低

总结：光线追踪的未来值得期待

对于光线追踪这样一个拥抱未来的技术，可以算是这些年来显卡更新上难得的一个非提升性能而是提升画面的技术，它的加入能实实在在地改变我们的游戏画面，带来更真实的效果，但付出的代价也是不小的，我们相信，一旦这扇门被打开，将是一个全新的体验和世界，未来驱动和游戏都会有较大的优化，而今年那些宣布将要支持光线追踪的游戏也会逐渐完善，大家也会从游戏中实际体会到实时光线追踪的魅力。