最近NV闹得很火的实时光线追踪技术 到底是个啥玩意

   要说目前最热门的图形学话题，自然非实时光线追踪了莫属了。在GDC 2018上，微软率先为DX 12 API增加了光线追踪模块，并且将其命名为DirectX Raytracing (DXR)；而NV则紧随其后发布了基于实时光线追踪的RTX技术；并且直接将显卡型号都从GTX改成了RTX系列。此后，AMD也正式宣布了自家的ProRender渲染引擎将支持实时光线追踪。

   当然，硬件厂商都这样了，游戏引擎也不能掉链子，诸如EA 寒霜引擎、EA Seed、Unreal 引擎、3DMark、Unity 引擎已经宣布将会引入光线追踪。不过，乍一听看起来这些似乎距离我们还有些遥远，直到前两天NVIDIA发布了RTX 2080 Ti、RTX 2080、RTX 2070游戏显卡，明确表示从硬件级别支持光线追踪！那么到底什么是光线追踪？

   光线追踪能达到什么样的效果？其实这个我们每一个人都体验过，绝大部分科幻、动作电影里面或多或少都会用上光线追踪这一技术。比如令人血脉贲张的《极品飞车》、《权力游戏》中的火焰、烟雾和爆炸效果仿佛身临其境，可以说光线追踪生成的影像与摄影机拍摄的影像难以区分，这就是光线追踪能达到的极致效果。但具体如何做到的，请听我娓娓道来。

   其实刚听说要详细讲一下什么是光线追踪我是拒绝的，因为，你不能让我写，我就马上去写，第一里面涉及到算法、数学原理实在是太多了，因为我不愿意写的时候涉及过多公式，“Duang”一下，显得很高大上，这样观众出来一定会骂我，根本看不懂你在讲什么，那就等于白讲了。后来想了想，希望以最通俗易懂方式来讲解光线追踪是怎么回事，尽可能地少涉及到数学公式以及算法原理，因为我要让观众看到，我能理解的是这样子，你们看完之后也会是这个样子！

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   光栅化

   想要了解什么是光线追踪，这里我们不得不提及耳熟能详的专业名词“光栅化”，因为它是光线追踪的基础，也是高效替代方案。为什么会出现这样看似矛盾的定义？

   因为光栅化是一个非常宏大的概念，它有可能是指代某一个框架，也可能是具体到某一个技术上。就目前现阶段来说，我们并不愿意将光栅化放到与光线追踪的对立面上，因为光线追踪还是需要光栅化作为基础，同时起到锦上添花作用，因此现阶段实现的依然是混合渲染，两者相辅相成，缺一不可，并不是部分自媒体吹嘘的那样，光线追踪可以完全替代光栅化。

   光栅化的简单原理：

   按照字面意思就是把图像栅格化、像素化，将电脑生成的矢量图转换成屏幕像素点的过程。比方说，游戏中物体建模的时候都是三维，由点线面构成，但要显示在二维的显示器上，就需要一个“降维打击”——光栅化，成为能够被显示的像素点，其实就是三维向二维的转化过程，这是目前渲染的基石。

   NVIDIA亲自解释光栅化过程：（不看也不影响阅读系列）

   每个三角形的顶角与大小和形状不同的其他三角形的顶点相交，每个顶点关联着大量信息，包括其在空间中的位置以及有关颜色、纹理及其“正常形式”的信息，这些信息用于确定物体所朝向表面的形式。 计算机随后将3D模型的三角形转换为2D屏幕上的像素或点，可以根据存储在三角形顶点中的数据为每个像素分配一个初始颜色值。

   进一步像素处理或“阴影处理”，包括基于场景中的光线如何碰撞像素改变像素颜色，以及将一个或多个纹理应用于像素，从而结合生成应用于像素的最终颜色。

   这种技术的计算量异常大。一个场景中的所有物体模型可以使用多达数百万个多边形，4K显示器中有近800万个像素。而且屏幕上显示的每个帧或图像通常会在显示器上每秒刷新30-90次。

   此外，还要使用内存缓冲区（为加快运行速度预留出来的一点临时空间）在即将到来的帧于屏幕上显示之前预先渲染这些帧。还需使用深度或“Z缓存” 存储像素深度信息，以确保在屏幕上显示像素的X-Y屏幕位置上的顶层物体，并且顶层物体背后的物体保持隐藏状态。

   光栅化过后的平面图像其实并不真实，这是原理所决定的，因此后期图形学中出现了增强真实感的各种渲染技术，包括“全局照明”、“环境光遮蔽”、“漫反射”以及“软阴影”，他们都是意图用更低开销实现更真实的光照效果。

   由于都是通过算法来实现，并没有统一标准，游戏开发商可以自行选择并使用，因此我们看到一些游戏里面有各种光影特效，而另一些游戏中就没有。如此之多、五花八门的技术就是为了创造以假乱真的光照效果，其实说到底就是我们的显卡算力太弱了，只配用这种近似解的方案。