為什麼路徑追蹤比光線追蹤更適合遊戲視覺效果

自從 Nvidia 於 2018 年推出 RTX 20 系列卡以來，遊戲中的即時光線追蹤一直掀起波瀾。最初，這只是一個噱頭，但逐漸演變成遊戲玩家在他們最喜歡的遊戲中不斷尋找的功能。最近，路徑追蹤與光線追蹤的爭論一直在掀起波瀾，前者展示了比後者更先進、更真實的視覺效果。再過幾年，隨著 GPU 的更新換代，路徑追蹤可能最終會成為主流。

光柵化、光線追蹤和路徑追蹤

讓我們分解路徑追蹤與光線追蹤，看看為什麼遊戲圖形需要它們。

傳統上，開發人員一直使用一種稱為光柵化的技術來渲染遊戲視覺效果。光柵化是將數學向量形狀轉換為像素，以便可以在電腦顯示器和其他基於像素的顯示器上查看它們（與舊的 CRT 顯示器不同）。

誠然，透過使用靜態光源的「預先渲染」照明，光柵化在近似真實世界的光行為方面非常有效。但是，隨著對逼真遊戲視覺效果的需求不斷增長，以及為其提供支援的技術，即時光線追蹤終於可供遊戲玩家使用。

與光柵化不同，光線追蹤嘗試模擬遊戲或應用程式每一幀中光線的真實行為。由於光線在與現實中的多個物體相互作用後可以反射、折射或被吸收，因此針對幀的每個像素計算相同的光線行為。這相當於計算一幀中數百萬條模擬光線的行為。這就是光線追蹤計算量如此之大的原因。

光線追蹤本身並不是什麼新鮮事。光線追蹤技術於 1969 年開發，自 20 世紀 70 年代以來已被電影製片廠不同程度地使用。但好萊塢可以透過使用「渲染農場」來「預先渲染」電影的每一幀，有時可能需要數週才能渲染單一光線追蹤場景。

遊戲中的即時光線追蹤有所不同，因為它需要在動態變化的環境中為每一幀執行這種複雜的計算。這也是大多數光線追蹤遊戲（即使使用現代 GPU 的硬體加速）也僅結合一兩個光線追蹤元素的原因光柵化，例如光線追蹤反射或陰影。

現在，我們來進行路徑追蹤。從本質上講，路徑追蹤只是光線追蹤的修改版本。路徑追蹤僅計算光線穿過場景時最有可能採取的路徑，而不是追蹤每條光線的路徑（無論是初級光線還是反射（次級）光線）。

構想於 20 世紀 80 年代，路徑追蹤需要更複雜的數學，涉及每個像素的多條光線，但最終會降低渲染硬體（即 GPU）的開銷。路徑追蹤是使用蒙特卡羅模擬的光線追蹤的近似，機率模型有助於在精確預測極其困難的情況下預測最可能的結果。

光線追蹤還有其他變體，例如光子映射（2001 年開發），這是一種兩步驟全局照明技術。第一步使用整個場景的光線來創建包含顏色和照明資料的光子圖，第二步使用預處理的光子圖即時渲染場景。光子映射在技術上可以進一步減少渲染開銷，但它相當複雜，並且當硬體功能較弱時容易出現一些偽影。

路徑追蹤看起來比光線追蹤更好

如果路徑追蹤只是近似於光線追蹤的效果，為什麼它會更好？結果不是應該比光線追蹤差嗎？

沒有。路徑追蹤與光線追蹤的爭論更加微妙。路徑追蹤（有時稱為全光線追蹤）實際上已被證明可以在遊戲中產生更真實的照明。最近的遊戲（例如《Cyber​​punk2077》 和《心靈殺手2》）展示了成熟的光線追蹤（在路徑追蹤的幫助下）的樣子。

路徑追蹤甚至已經在《雷神之鎚 2》、《傳送門》、《上古卷軸 5：天際》和《半條命》等老遊戲中實現，將它們從過時的圖形轉變為技術演示。

由於路徑追蹤可以存取更大的資料樣本，因此可以產生更真實的光照。與光線追蹤不同，路徑追蹤為場景中的每個像素發射多條光線，並對其中的少數光線進行取樣以獲得最終輸出。這使得演算法在 Nvidia 的 DLSS 的降噪輔助下，能夠產生更清晰的陰影、反射和全局照明。

GPU 上的路徑追蹤在技術上更容易

儘管路徑追蹤涉及更複雜的運算、去噪和人工智慧技巧，但它最終在 GPU 上變得更容易——至少在理論上是如此。

使用路徑追蹤從頭開始開發的遊戲將從這種較小的開銷中受益最多。這種情況並不常見。在原始版本發布多年後，路徑追蹤作為更新被引入到各種遊戲中。

即使是 Nvidia 聲稱是「完全光線追蹤遊戲」的《心靈殺手 2》也沒有普遍使用路徑追蹤。這是不同的，因為即使沒有這些，它看起來也令人驚嘆，也是 PS5 上最好的遊戲之一。

現在的情況是，即使使用最高階的 GPU，這類遊戲也很難以可玩的幀速率運行。 Nvidia 的 RTX 40 系列需要使用一系列 AI 功能，以便以較低的解析度渲染這些遊戲，並對其進行升級以產生可接受的結果。

但是，再過幾年，隨著遊戲中的人工智慧徹底改變遊戲產業，在主流GPU 上實現路徑追蹤將變得更加容易.

這些 GPU 的效能與 PS5 相當或優於 PS5。

路徑追蹤並不是一項新技術

自 2000 年代以來，迪士尼和索尼等電影製片廠一直在使用路徑追蹤來渲染具有完整路徑追蹤的動畫電影。這個理論自 20 世紀 80 年代以來一直很可靠，現在即時路徑追蹤已經出現在流行的、儘管過於沉重的遊戲中，讓人們親眼目睹它發生在他們眼前。

路徑追蹤並不是一種全新的技術，需要很長時間才能滲透到更多的遊戲和更便宜的硬體。隨著 Nvidia、AMD 和英特爾等公司競相改進 GPU 並投資先進的人工智慧演算法，路徑追蹤只會在遊戲和其他媒體中變得更加普遍。這遲早會發生。

了解英特爾 Arc GPU 是否適合遊戲。

光線追蹤、路徑追蹤和光柵化將協同工作

儘管路徑追蹤非常先進且令人印象深刻，但它仍然無法完美地完成所有事情。其最大的優點是可以存取更多數據，這也是其最大的缺點。

在可用資料較小的情況下（例如黑暗的地牢）或在反射和折射表面（例如水體或玻璃）的情況下，光線追蹤仍然更優越。這就是為什麼光線賽車不會隨著遊戲中路徑追蹤的出現而突然從場景中消失。

像往常一樣，開發人員可能會使用渲染技術的組合來在任何情況下產生最真實的場景。因此，光線追蹤和路徑追蹤以及光柵化將在不久的將來共同為遊戲提供動力。

每隔幾年，一項新技術就會成為新聞，因為它有望讓遊戲比以往更逼真。首先是著色器，然後是曲面細分，然後是光線追踪，現在是路徑追蹤。但是，這些技術也會對遊戲效能造成巨大影響。如果您覺得目前的電腦無法在遊戲中利用這些新時代技術，您可能需要購買新的 GPU 。我只希望，當我們等待未來完全路徑追蹤的遊戲時，普通遊戲玩家也能使用未來的 GPU。

圖片來源：有電路的現代 GPU 卡的特寫 由 DepositPhotos 提供