什麼是光線追踪？了解光線追踪的工作原理

技術的發展帶來了視覺體驗的突破，也帶來了圖形生活的突破， 英偉達推出的顯卡 系列基於圖靈架構的新一代顯卡，其新的光線追踪技術 就是對這一發展的答案。那麼什麼是光線追踪？為什麼說這是未來的技術？讓我們通過WebTech360這篇文章來了解一下

什麼是光線追踪？

Ray Tracing 是一種通過跟隨光線來渲染（渲染）光線的技術（trace 的意思是追逐，ray 的意思是光線）。您可以將這種技術想像成您如何抬頭看太陽，跟踪其光線照射到的位置、照射到的物體以及光線如何照射到周圍的物體上。光線追踪在數字環境中重現了該過程。

換句話說，光線追踪跟踪環境中每個物體吸收、反射、散射和散射的光，它不僅適用於來自太陽的光束，也適用於任何其他光源。（例如：2 個燈泡）遊戲房間裡，遊戲中壁爐閃爍的火焰，渲染3D時人造光源是固定的……）。

目前，帶有光線追踪的圖靈架構仍然是一個很大的問號，預計將成為GPU市場的革命性轉折點，這樣的產品未來很可能會在大多數PC上看到。很少有人能擁有並使用它？

這很難回答，因為雖然已經有關於GeForce RTX 2080 FE和GeForce RTX 2080 Ti FE這兩款系列的文章和評論，但我們仍然需要等待，即使是支持高科技的遊戲卡，這裡是ray追踪。此外，Quadro專業顯卡也配備了這項新技術：Quadro RXT 8000、Quadro RXT 6000、Quadro RXT 5000、Quadro RXT 4000。

光線追踪的工作原理

光線追踪的目標是創造更真實的光照和更自然的陰影，而NVIDIA的RTX系列已經取得了令人印象深刻的成果，至少在發布的演示中是這樣。窗戶打開的木製房間在使用傳統照明時幾乎會照亮整個房間，而當光線追踪打開時，有直射光的地方會比房間的黑暗角落更亮。NVIDIA 還展示了《戰地 V》中的火焰如何困擾遊戲中的角色並非常逼真地燒焦車門。

光不僅影響照明，還影響顏色、深度和陰影。因此，當燈光模擬接近現實生活時，其餘元素也做得很好。當前遊戲中的著色器看起來相當粗糙和清晰，缺乏明暗斑塊之間的輕微過渡，而光線追踪使這成為可能。

光線追踪算法 

創建現實世界的模擬是一項非常複雜的任務。它包括許多因素，例如無限數量的光束、反射表面、穿過物體，所有這些都基於每個物體的分子特性，更不用說重力和物理相互作用了。僅使用當前計算機的有限資源來模擬這樣一個“無限”的事物是完全不相稱且不可能的。

我們將上述問題的解決方案稱為“光柵化”，處理過程從多邊形開始，而不是處理無限數量的光子。更多的多邊形意味著更快的處理速度，而光柵化的目的是將數百萬個多邊形轉換為特定的圖像。

簡而言之，它創建 2D 原型並將其渲染在預先構建的 3D 世界中。其中，由多邊形構成的2D圖像在近距離觀看時可以覆蓋整個屏幕，但從遠處觀看時可能只覆蓋幾個像素，從而創建像素、紋理和原理光。當然，一種技術不能涵蓋全部工作。

Z 緩衝區（跟踪每個像素深度的輔助緩衝區）等各種技術加快了這一過程，創建了一個工具，使數百萬個生成的多邊形盡可能高效地可見、可排序和處理。這可能需要每幀進行數百萬甚至數十億次計算，只有具有萬億次浮點運算速度的現代 GPU 才能處理。

光線追踪以不同於光柵化的方式解決上述問題，從歷史上看它已經存在了大約 50 年。Turner Whitted目前在NVIDIA工作，過去曾草擬如何計算遞歸跟踪，從而產生令人印象深刻的視覺效果，包括陰影、反射等。當然，它會比光柵化複雜得多。

光線追踪涉及在將光線（通常是光線）投射到 3D 世界時檢測其方向。假設要構建一個物體，首先要確定沿著構成該物體的多邊形的光線，然後考慮可能的光源、多邊形的屬性如材質、平面或曲面，簡而言之，就是增加或減少光線。

然後對任何其他光源重複此過程，包括從場景中的物體反射的光。它是如此復雜，以至於需要許多公式才能使光線追踪成為可能，即使對於透明、半透明表面（例如玻璃或水）也是如此。一切事物的人工反射都必須有一個限度，因為即使是光線也無法檢測到所有無限數量的光子。

根據NVIDIA 的說法，最常用的光線追踪算法是BVH 遍歷：邊界體積層次遍歷，它通過對對象進行分區進行處理來加快處理速度，換句話說就是“分而治之”。

你可以參考NVIDIA的兔子模型，它使用BVH算法，對每個級別進行定位，將零件分成塊，越來越小，直到算法產生一個短列表多邊形，然後進行光線追踪的工作。

然而，當使用 CPU 或 GPU 上的軟件來完成這項工作時，要做的工作量太大。另一種選擇是RT核心，每個RT核心都內置BVH結構算法，使其處理工作的速度比CUDA核心快10倍。

另外，還必須提到的是，一個像素上要檢測多少條光線，僅僅一條光線就導致數十次或數百次計算，但跟踪的光線越多，工作就會更輕，生產率也會更高。皮克斯等公司也使用光線追踪技術來創建動畫。

一部幀率為 60 FPS 的 90 分鐘電影需要 324,000 張圖像，每張圖像都需要幾個小時來計算跟踪每個像素的光線。NVIDIA 將如何實現這樣的實時同等效果？我在上面提到了 RT 核心的出現，但如果這還不夠，答案是 Tensor 核心僅在圖靈架構中可用。舉個簡單的例子，以 FP16 的工作負載為例，Tensor 核心達到 114 TFLOPS，而 FP32 和 CUDA 只有 14.2 TFLOPS。

但為什麼 Tensor core 足以進行光線追踪呢？它是AI和自學習，換句話說它是深度學習超級採樣功能，可以讓遊戲在沒有AA的情況下以較低分辨率渲染，然後Tensor核心會繼承並影響幀，抗鋸齒以獲得更高的分辨率。

總而言之，渲染行業的大牌已經涉足光線追踪，例如 Epic、UE、Unity 3D、EA Frostbite。微軟甚至專門為光線追踪創建了 DirectX Ray。有了RTX，這確實是計算機圖形行業的一大飛躍，當然它還沒有完成，在未來十年內能夠將RTX 2080 Ti作為主流推向市場是完全可能的。

NVIDIA 最新顯卡上的光線追踪技術

NVIDIA 以及幾乎整個行業當前的圖形技術都是以一種更簡單的方式（稱為光柵化）來模擬給定場景中的光和光的行為。就像畫家繪畫一樣，對像是從後到前逐層渲染的，因此前景中的對象會遮擋背景中的對象。

顯示傳統光柵（左）和光線追踪（右）之間的差異。

然而，這種方法在渲染反射時會很困難，因為光柵技術將無法跟踪和渲染光線。它通常用於實時場景，因為當前的硬件不足以模擬複雜場景的運動，例如視頻遊戲或 3D 動畫。

同時，光線追踪可以重建光照射到表面、材料和移動物體時的行為。

光線穿過場景時可以被渲染並且渲染得更加複雜。通過光線追踪，您可以模擬光線與對象的交互方式，實時創建逼真的反射、折射和散射效果。光線追踪甚至可以檢測和顯示折射鏡、反射鏡，可視化場景中的光源，甚至是光線穿過主體後的顏色。

事實上，這種技術已經在實踐中得到了應用，比如皮克斯的《怪獸大學》、漫威的《鋼鐵俠》等電影。但那是專業用戶使用的時候，現在卻被帶到了普通用戶——這在以前是不可能的。

這堪稱 NVIDIA 的壯舉，因為光線追踪需要巨大的計算能力。NVIDIA 首席執行官黃仁勳 (Jensen Huang) 表示，這是“我們這一代人（GPU 卡）取得的最大飛躍”。

NVIDIA解決這個問題的方法是在新發布的GPU中使用新的圖靈架構。該架構旨在解決處理問題。專用的光線追踪核心還配備了張量核心，能夠使用人工智能來推斷圖像的“實時”部分——這是該技術中計算量最大的問題。因此，GPU 的仿真速度比之前的 Pascal 平台（在 GTX 1080Ti 上）快 6 倍。

這確實是圖形技術的巨大飛躍，令人興奮的是工作室和個人現在能夠將這種光線追踪技術的使用擴展到動畫、科學遊戲和模擬中的應用。

希望光線追踪技術能夠越來越發達，那麼我們將體驗到更加美麗的圖像質量，但目前你很難為其他用戶體驗光線追踪，可怕的遊戲，因為它們需要龐大的軟件。如果您需要有關光線追踪遊戲配置的建議，請聯繫WebTech360。

合成自：Genk.vn