什麼是光線跟蹤？它是如何工作的？

光線追蹤可以讓你的影片遊戲看起來不可思議，但它是什麼，它是如何工作的？...

如果你經常玩電子遊戲，或者你看過皮克斯或迪斯尼最近幾年的動畫片，你已經在不知不覺中看到了光線追蹤的效果。

在過去兩年左右的時間裡，這個詞在遊戲行業引起了很大的轟動，它被吹捧為遊戲圖形的未來。那麼什麼是光線跟蹤，它是如何工作的，為什麼它如此重要呢？

什麼是射線追蹤(ray tracing)？

光線跟蹤是一種圖形渲染方法，它使用演算法計算影片遊戲中燈光和陰影的位置。

這就是小學科學派上用場的地方：看看杯子。當你看著杯子時，光線從杯子上直接反射到你的眼睛裡，你的大腦就會明白坐在你面前的物體就是一個杯子。現在，從杯子裡，移動你的眼睛，找到你房間裡的光源。那是光線追蹤。

在我們現在擁有的3D影片遊戲中，光線跟蹤演算法從玩家的視角開始，開始“跟蹤”、識別和繪製螢幕上多個物件的光、顏色和陰影。

因此，透過光線跟蹤生成的圖形邊緣更平滑，更逼真。

光線跟蹤前

如果你想知道光線追蹤之前的運動影象是什麼樣子的，只需看看21世紀初**的影片遊戲，並將它們與目前市場上的AAA影片遊戲進行比較。

傳統的計算機圖形學使用一種稱為光柵化的方法，將三維光源的概念和繪圖轉換到二維表面上。三維多邊形被轉換成二維畫素，這並不總是很順利，因為實際上是將具有許多曲面的複雜物件強制到平面上。

除此之外，傳統電腦的速度遠遠趕不上電子遊戲的強度。儘管在光柵化方面已經有了許多改進，但例如，當涉及到演示一個激烈的第一人稱射擊遊戲時，它與光線跟蹤相比還存在不足。

光線跟蹤的工作原理

光線追蹤作為一個概念聽起來簡單而令人興奮，但它並不是一種簡單的技術。那麼，光線跟蹤是如何工作的呢？

光線跟蹤執行一個稱為“去噪”的過程，其演算法從相機開始跟蹤並精確定位最重要的光影陰影。使用機器學習，它“填補空白”，形成一個照片級的真實感影象。

因此，影片遊戲中的場景越亮，圖形質量就越高，質量越高，成本就越高。這就給我們帶來了光線追蹤遲遲未能進入影片遊戲行業的原因。

為什麼光線追蹤被避免了這麼長時間？

您應該知道光線跟蹤也不是一種新技術。早在光線追蹤技術進入電子遊戲行業之前，好萊塢就已經開始使用它了。皮克斯2013年的電影《怪物大學》（M***ters University）實際上是第一部將光線跟蹤技術應用於所有照明和著色的動畫電影。那麼為什麼光線追蹤這麼晚才進入電子遊戲呢？

首先，在力學方面，光線追蹤本身的計算要求很高。在每秒24幀的標準90分鐘動作片上應用光線跟蹤技術已經非常耗時。動畫師可以在一個場景上花費數天或數週的時間，所以想象一下，在每秒60幀的標準影片遊戲上進行光線跟蹤會有多強烈。這簡直不切實際。

接下來，如上所述，光線跟蹤成本很高。除了耗時之外，昂貴的預算也是為什麼好萊塢一直只有大型電影**公司才能負擔得起光線追蹤的原因。皮克斯的怪獸大學耗資2億美元**，2019年釋出的《玩具總動員4》也是如此。

而支援實時光線跟蹤的現代圖形卡從400美元到3000美元不等。

使用光線跟蹤時

光線追蹤在電子遊戲中幾乎無處不在，但特別是在剪接場景中。你有沒有注意到為什麼你的角色在影片遊戲中看起來更逼真和複雜？這就是光線追蹤。2019 hit AAA title Control是影片遊戲中光線追蹤成功的最好例子。

除了影片遊戲之外，光線追蹤也在許多行業得到應用。在建築學中，光線跟蹤被嵌入到用於建築三維建模的軟體應用程式中。這使得建築師對建築設計的想象比手繪概念草圖更真實，而且造型光更精確。在工程中，光線跟蹤也用於類似的目的。

遊戲開發者和光線追蹤

在2008年收購光線追蹤公司RayScale後，Nvidia成為業內第一家推出商業光線追蹤的公司。2018年，它向消費者推出了GeForce RTX系列圖形卡。此後，大牌遊戲開發商紛紛加入光線追蹤遊戲，一個接一個。

2019年，Epic Games and Utility Technologies宣佈，他們的標誌性硬體引擎現在為光線跟蹤提供本機支援。2018年，微軟將光線追蹤技術整合到了其Xbox One的關鍵多媒體和遊戲程式設計軟體DirectX 12中。在2020年初，科技巨頭推出了DirectX12 Ultimate，這是對DirectX12的升級。

如果您想了解有關光線跟蹤的更多資訊，請檢視我們對Nvidia最新GeForce RTX產品的比較。如果你是一個Linux使用者，看看Nvidia和AMD的不同gpu是如何在Linux上疊加的。