最近NVIDIA RTX系列顯卡的發佈可謂是給沉寂已久的顯卡市場掀起了新的波瀾。RTX系列顯卡再次刷新了遊戲顯卡的性能上限，玩家們紛紛高呼老黃又帶來了新核彈。而這枚核彈最大的威力，並不在於傳統遊戲性能的提升上，而在於帶來了全新的光線追蹤加速技術。無論是從技術原理的角度來看，還是在某些展示中來看，光線追蹤的確給遊戲畫面能帶來質的提升，遊戲畫面擬真度一定程度上媲美電影，似乎已經不是遙不可及的夢。

如果你對遊戲的相關圖形技術有所了解，應該會知道遊戲畫質已經很久沒有實質上的提高了。PS3/Xbox360時代開始出現的法線貼圖、環境光遮蔽、動態光照、體積光等，當今依然是提升遊戲畫質的法寶。時至今日，遊戲的建模越來越精細，貼圖越來越高清，但觀感上始終和電影特效有著天塹般的落差。而RTX顯卡的出現，讓遊戲畫面再度進化成爲了可能。那麼問題來了，顯卡已經開始支援光線追蹤加速，次世代的遊戲畫面何時才會走進千萬家？使用光線追蹤技術的遊戲，明年能夠大面積普及嗎？今天就來談談相關的話題吧。

NV放出的使用大量光線追蹤技術的《星戰》Demo，即時渲染畫質接近電影級，然而這並不是遊戲

遊戲畫面已經多年止步不前？

在談論光線追蹤技術普及之前，我們先來了解一下當前遊戲相關的圖形技術，說說為什麼光線追蹤能給遊戲畫面帶來本質上的提升。

目前的遊戲讓3D圖形呈現在玩家面前，所使用的技術叫「光柵化」。光柵化是一個比較抽象的概念，大家可以簡單理解為3D圖形的2D化，將3D模型拍扁了，就變成2D了——我們在顯示器看到的畫面是2D的嘛。遊戲進行3D建模（向量圖形）後，將模型投射到螢幕的2D像素點上（光柵化），3D向量圖變成了2D的位圖，這就是大家在顯示器看到的畫面。

光柵化的簡單示意圖，將3D空間的向量圖形投射到平面上，成為2D柵格位圖

在這個過程當中，向量圖形變為柵格位圖，位圖大小以像素點數量來衡量，因此解析度越高、處理越複雜（例如抗鋸齒）對顯卡光柵單元ROPs要求越高。因此大家可以觀察到，ROPs比較少的顯卡，在高解析度和高倍抗鋸齒下跑遊戲，性能不盡如人意。

要讓遊戲畫面變得逼真，除了建模精準以外，還需要明暗/顏色精準，不然畫面就只是白花花的一片剪影，誰也看不出那到底是什麼。而遊戲畫面的著色，是在Raster Operations也就是光柵操作過程當中完成的。在光柵化的過程當中，會為2D圖像的像素分配額外的訊息，例如深度、顏色等等，接著顯卡再根據這些訊息給像素進行渲染上色，最後我們就可以看到立體的圖像了。

一個簡單的渲染流程示意圖：確定3D頂點➡3D建模➡光柵化➡像素著色➡2D圖像

換言之，遊戲畫面的光柵化渲染著色，大致相當於是以3D建模為依據，描繪出了2D的線稿（形狀），然後再根據各種訊息往稿子裡面填色。基於這個原理，很難做出非常擬真的光影效果。目前大家在遊戲當中看到的光影效果，往往是利用光照貼圖（Lightmap）來模擬的。舉一個很簡單的過程作為例子，例如某片像素的深度訊息告訴電腦，這裡能不能被光線照到，然後電腦就決定為這片像素貼上半透明的黑色/白色的光影貼圖，模擬出陰影/亮面，就形成了簡單的光影效果。

遊戲畫面之所以有立體感，光照貼圖居功至偉，但這並不能獲得完美的效果

很多情況下，遊戲中的光照貼圖是預先烘焙好的，也就是說光影並不是即時計算出來的。儘管很多遊戲帶有燈照、火光乃至天氣之類的系統，光影會產生變化，但這依然只是預先渲染好的光照貼圖，只是根據不同的情況貼不同的圖而已。

例如近幾年流行的環境光遮蔽，實際使用的往往是帶有指向性的光照貼圖；而體積光，則可以簡單看做是帶半透明模糊處理過的貼片；而物體表面凹凸不平造成的高光和陰影，實則是法線貼圖模擬的。這些手段都可以提升畫質，但從原理來看也只是花式貼圖而已。基於此，遊戲畫質已經很久沒有出現質的突破了。

光線追蹤能給遊戲畫質帶來質的提升？

用貼圖來模擬光影，這讓遊戲畫面的光影效果有很大的侷限。例如，我們知道在不同角度看一個物體，它的光影很有可能不一樣，典型的例子就是鏡面/水面反射。但由於目前遊戲的光影不是即時計算的，因此很難做出完美的模擬——想必大家也沒在遊戲中見過打碎一塊鏡子，玻璃碎片還都能繼續當鏡子用的情況；而現在很多遊戲雖然做出了水面倒影，但在某些角度倒影會消失不見，這些案例就是這個道理了。

為何《戰地風雲》的光線追蹤展示會強調車體鏡面反射火光？因為傳統的貼圖很難做到這點

再例如，目前的光照貼圖對漫反射的模擬也並不出彩。如果大家有接觸繪畫，應該知道寫實繪畫不僅需要考慮物體的固有色，還要考慮光源色和環境色，其實這就是漫反射的處理，處理好了漫反射的畫才足夠寫實、生動。但由於遊戲的光影效果是貼圖，因此很難對物體之間光線漫反射造成的顏色變化，進行非常精確的模擬。儘管可以通過一些像素處理技術，來模擬像素之間的顏色影響，但效果依然有限。

遊戲往往會用預先準備的貼圖來繪製亮部、暗部（例如眼窩、耳廓的陰影），無法精確模擬光影變化

這幾年來遊戲畫面越來越精細，但大家始終覺得遊戲畫面和現實相比，仍顯得生硬，這是由於貼圖始終無法完美模擬各種光線反射。遊戲畫面的擬真，顯而易見已經遇到了瓶頸——現在的遊戲畫面對比的《末日之戰》，有質變的提升麼？《末日之戰》誕生於2007年，用《末日之戰》對比它五年前也就是2002年的遊戲，再用現在的遊戲對比距離現在十多年前《末日之戰》，不能難發現最近十幾年遊戲畫質提升之小，是遠慢於之前的。而光線追蹤技術，則是畫質瓶頸的破局之道。

2007年的《末日之戰》畫面，現在的遊戲對比這十年前的遊戲，畫質並沒有質的突破

顧名思義，光線追蹤技術能夠追蹤光線的生成、反射、遮蔽、消失，繼而即時生成光影。這次，光影終於不只是用貼圖貼出來的了，而是真正去模擬一束光，在場景中到底能產生怎樣的色調、明暗。這樣得來的光影效果，肯定比預先製作的光影貼圖來得更加可信，畢竟你無法為無數種光照情況都準備相應的貼圖或者貼圖的變化。從原理上來看，光線追蹤技術無疑能為遊戲帶來更高的畫質上限。

光線追蹤才有可能模擬出如此豐富且逼真的光影

在發佈RTX系列顯卡的時候，NV已經放出了光線追蹤的展示，效果大家也有目共睹。開啟了RTX光線追蹤後，車門能給即時映射出火光，而水面也能隨時隨刻映射出倒影。而關閉了光線追蹤後，車門的火光水面的倒影皆消失殆盡，一切都變得平淡起來。

光線追蹤遊戲到底何時普及？

儘管RTX光線追蹤的展示很精彩，但很多朋友看了卻並不高興——這只是一個展示，目前市面上仍未出現使用光線追蹤技術的遊戲。看著大餅，湊近才知道這餅畫在紙上，看著香也看著餓。RTX顯卡已經正式發售，以現在的情況來看，今年湧現大量的光線追蹤遊戲是沒什麼指望的了。那麼問題來了，遊戲能夠在近期，例如明年普及光線追蹤技術嗎？

光線追蹤卓越的鏡面水面渲染，目前仍沒有什麼遊戲實裝，是否只是鏡花水月？

很遺憾，或許情況並不是那麼樂觀。雖然PC在近十幾年引領著遊戲圖形技術發展，但真正讓某種圖形技術走進千家萬戶，還得靠PlayStation、Xbox等遊戲主機，這是市場所決定的。PC遊戲的銷量一直遠小於主機遊戲，儘管PC遊戲會使用比主機遊戲更先進的圖形技術，但這些先進的圖形技術如果一直沒有在主機遊戲當中出現，以市場的角度來看它們都仍會是非主流。

在全球範圍當中，主機遊戲的銷量要比PC遊戲多得多，例如根據VGChartz的統計，《戰地4》PC版的銷量僅有主機板（PS3/4+Xbox 360/One）的十分之一。對於大部分的遊戲廠商來說，只有在主機平臺發售遊戲才是生財之道。此情此景下，遊戲主機成爲了大部分遊戲的性能基準，直接影響這個時代的遊戲會採用何種圖形技術。遊戲廠商何必爲了銷量較少的PC平臺，使用成本高、未成熟的先進圖形技術？這徒增成本和風險。

遊戲主機市場規模是PC遊戲的數倍，遊戲主機才能真正推動普及遊戲圖形新技術

如果遊戲廠商就是頭鐵，就是要不顧主機平臺，而在PC平臺堆砌圖形技術，會有怎樣的下場？《末日之戰》可謂是前車之鑑。《末日之戰》初代是PC平臺獨佔，使用了大量先進的圖形技術，打造出了驚為天人的畫質標竿。與之相比，當時PS3、Xbox360上的遊戲畫質簡直如同古董。然而這樣的作品，銷量僅有七十多萬，本都回不了。於是隨後的《末日之戰2》還是劈腿到遊戲機平臺了，總銷量一下子漲到了三百四十萬左右，比1代多了四倍。但是，爲了兼顧主機，《末日之戰2》的畫質對比1代有所下降，這就是主機對遊戲圖形技術的影響力所在。

換言之，在主機尚未能支援光線追蹤之前，除了有資本玩票的大廠，恐怕大多數遊戲依然不會深度應用這一圖形技術。而值得一提的是，目前階段的光線追蹤遊戲，實際上並不是全局使用光線追蹤的。由於性能等方面的限制，光柵化仍必不可少，RTX顯卡只能提供混合渲染。

目前階段的遊戲並不能做到全局即時光線追蹤，而是混合渲染，光線追蹤儘管很美很吸睛但並不完整

如此一來，美工就顯得相當關鍵。同樣的圖形技術，不同的美工打磨效果會截然不同。例如同樣使用環境光遮蔽，《秘境探險4》的畫面氛圍就比普通3A大作高出一個檔次。在什麼地方使用光線追蹤才會有最好的效果？對於一個新應用於遊戲的圖形技術，這是一個值得深究的課題。這些嚐鮮的光線追蹤遊戲，會不會靜下心來打磨美工，以讓局部的光線追蹤發揮出應有的潛能？如果廠商對於光線追蹤的態度只是賣噱頭，恐怕最終成品並不如人意。

如果不能細心打磨不完整的光線追蹤，恐怕最終效果還不如傳統渲染的《秘境探險4》，只會徒費性能

另外，雖然微軟已經公佈了DXR API，在DX12當中支援了光線追蹤，但仍未制訂相應的硬體規範。儘管Xbox主機也使用DX API，但其使用的AMD圖形晶片並不支援光線追蹤加速，如果主機遊戲在現階段使用光線加速，效率非常不理想。目前只有NV的RTX顯卡能提供硬體層面的光線追蹤加速，而衆所周知NV在主機市場並沒有太大的影響力。因此，光線追蹤遊戲何時能夠普及，恐怕主要得看AMD何時跟進，並推出並能在主機平臺上廣泛應用的光線追蹤加速方案。

總結：

毫無疑問，對於遊戲而言光線追蹤是革命性的圖形技術。但一種圖形技術在何時普及，不僅需要硬體廠商自身的研發，也要考慮歷史的進程。

來源：遊民星空