什麼是光線追踪？

自 Nvidia 2018 年發布其 20 系列 RTX 顯卡以來，其殺手級功能“光線追踪”一直是視頻遊戲界的流行術語。但是很難理解光線追踪是什麼、它是如何工作的，以及為什麼它看起來比以前的技術更好。

什麼是光線追踪以及它是如何工作的？

在現實世界中，當您看到某物時，您看到的是來自光源的光子。在前往您的途中，該光子可能已被一個或多個表面反射。每次反射都會改變到達您眼睛的光線的特性。

太陽發出各種顏色的光，每個表面吸收一些光並反射其他光。我們所看到的綠色表面，例如一片葉子，之所以看起來如此，是因為它主要反射綠光。如果從葉子反射的光照射到另一個表面，例如白牆，那麼該表面看起來會與純白光照射時的情況略有不同。每次反射都會影響光與之相互作用的每個未來表面，從而改變其強度和可見顏色。

光線追踪是一種遵循相同原理的圖形技術。光線被投射，反射和折射光的屬性（如顏色）被計算出來，光線繼續傳播。

在現實世界中，每個光源，例如燈泡或太陽，都會向各個方向發射光子，其中絕大多數從未到達您的眼睛。模擬這將是一個非常密集的過程，會產生大部分浪費的結果。為了減少工作量，光線追踪反向工作，從相機投射光線。在執行計算和設置像素值之前，允許每條光線在沒有反射的情況下傳播一定距離或反射一定次數。

例如，從觀察者的角度投射光線，當它碰到白牆時，算法會遞歸地生成反射光線，然後反射光線穿過一塊藍色玻璃，最後，反射光線碰到白色光源並被吸收。藍色玻璃吸收除藍光之外的所有光，藍光將藍光投射到牆上，導致像素呈藍色。

為什麼光線追踪看起來好多了？

實時渲染場景的標準方法涉及使用預先計算的光照貼圖和整個場景照明。一些遊戲利用有限的體積照明來包括移動光源並允許動態陰影，儘管這種技術非常佔用處理器資源，但很少使用。

如果在遊戲設計階段進行一些額外的工作，光線追踪可以實現逼真的結果。如果所有表面都包含反射率、透明度以及光線如何通過它們折射等細節，則整體效果會顯得更自然。雖然這種方法顯然需要在遊戲設計階段進行更多的工作，但它可以讓結果看起來像照片般逼真，當光線從混凝土、金屬、木材和玻璃等反射時，它會做出應有的反應。

光線追踪允許在渲染過程中投射準確的反射和陰影。在傳統的渲染方法中，這兩種效果都是完全可選的，並且會導致顯著的性能下降。

光線追踪本身帶來了巨大的性能損失。直到 Nvidia 的 RTX 顯卡宣布具有用於光線追踪的硬件加速功能之前，人們認為在軟件中實時執行光線追踪所需的處理能力還需要十多年的時間。即使使用硬件加速，光線追踪仍然會導致性能顯著下降，因為它仍然是渲染幀最慢的部分。