最近你玩游戏的时候有没有注意到眼睛变大了?如果是这样的话，这可能是因为一种新技术正在游戏领域中慢慢传播。最新的，最壮观的视觉增强PC游戏带来了你的礼貌射线追踪，这是最近才成为可能的实时与专门的硬件。
虽然射线追踪在PC游戏中很常见，但微软的Xbox系列X和索尼的PlayStation 5还要有必要的硬件和不断增长的游戏库来支持它。这篇文章将讨论射线追踪与传统光栅化的区别，为什么它对未来的游戏很重要，当然，射线追踪是否应该影响你的下一台游戏PC的购买桌面游戏或者一个玩游戏的笔记本电脑)或控制台。
射线追踪的基础知识
光线追踪是一种用于照亮计算机生成的场景的技术。这个概念并不新鲜;什么是新技术是借助计算机的力量有效地完成这一任务。
想象一下，把一束光线射向一个物体，追踪它如何从物体表面反弹，就像走进一间黑暗的房间，用手电筒指着它一样。然后想象拍摄许多光线，使用那些会(或不会)返回的光线来判断场景应该是什么样子。例如，无法返回的光线很可能被物体挡住，从而产生阴影。(用雷达的工作原理来思考这个概念并不遥远。)
这一基本解释强调了光线追踪与现实世界照明的相似之处:到达你眼睛的光线会告诉你的大脑你正在看到什么。动画电影几十年来一直在使用光线追踪技术;皮克斯的玩具总动员例如，1995年，他把它带到了聚光灯下，从那以后，渲染技术取得了巨大的进步。
然而，在电影行业使用光线追踪技术的时间里，电子游戏一直依赖一种不同的技术——栅格化来渲染3D世界。但是，在我们讨论这背后的原因之前，让我们对比一下射线追踪和光栅化。
基本原理:射线追踪与光栅化
栅格化是一种基于对象的场景渲染方法。每个物体先涂上颜色，然后应用逻辑只显示离眼睛最近的像素。相比之下，光线追踪先给像素上色，然后再将它们与物体区分开来。简单的…这就解释了一切，对吧?
好吧,不相当，所以可以这样想。栅格化需要特殊的技术和调整来创建逼真的视觉效果。例如，游戏的渲染管道可能会被调整和优化以应用特定的效果，其中对象上的像素具有特定的模式。当然，这种类型的逻辑会因对象和场景的不同而不同。开发人员需要努力利用这一点，但它可以在效率上获得回报，因为计算机可以在没有相应处理能力的情况下渲染复杂的场景。
光线追踪往往比光栅化更普遍，因为它是基于发射光线。因此，实现视觉效果的技术是基于这些光线的使用方式。例如，柔和的阴影和反射需要拍摄更多的光线，而运动和模糊效果可能需要改变光线的时间或光线的原点。
总之，光栅化和光线追踪可以用来达到同样的效果(或者，至少，接近于它)。现在让我们来探索一下为什么用一种而不用另一种。
主流游戏，射线追踪
几十年前，光栅化在电子游戏中赢得了一席之地，因为它所需要的硬件是主流用户能够负担得起的，不像光线追踪所需要的硬件。这在很大程度上仍然是正确的;游戏显卡都是针对栅格化优化的，而且在未来的很多年里都是如此。
射线追踪进入主流游戏的旅程始于2018年，当时英伟达推出了GeForce RTX桌面卡系列，以GeForce RTX 2080．英伟达在2020年推出了第二代GeForce RTX 3000系列卡GeForce RTX 3080)，其竞争对手AMD很快也推出了Radeon RX 6000系列。(参见我们对这款旗舰的评论Radeon RX 6800 XT．)
简而言之，光线追踪之所以花了这么长时间才进入游戏领域，是因为实现它的计算资源无法以允许主流采用的价格获得。诚然，入门成本仍然相对较高——AMD和Nvidia都还没有提供带有硬件射线追踪功能的低端桌面显卡。目前，硬件中能够进行光线追踪的“入口级”显卡是GeForce RTX 2060该产品于2019年推出，售价349美元，不算太预算，由于显卡的高需求(和低供应)，目前的销量远远超过了大多数来源。
我们测试过的顶级射线追踪显卡…
尽管如此,在一些点，价格会稳定下来。这一场景将继续被主流所接受，特别是在最新的游戏主机也加入进来之后。
光线追踪的视觉改进
我们必须意识到射线追踪只是涉足了游戏图像领域。这是因为渲染整个游戏中的实时光线追踪仍然远远超出了当今硬件的能力。支持光线追踪的游戏只在特定的效果中使用它，主要是那些与阴影和照明有关的效果，而其他的一切仍然是栅格化的。
首先，快速入门术语。英伟达的RTX牌显卡——例如GeForce RTX 2060或RTX 3080——使用了一种专有的图形渲染实现，英伟达一般称之为“RTX”。这个实现可以使用DirectX 12，更具体地说，它的DirectX射线追踪API (DXR)渲染出游戏引擎中的光路。
与此同时，DXR是一个光线追踪API，可以独立于Nvidia的硬件运行，也可以与Nvidia的硬件一起运行。例如，游戏《孤岛危机》的开发者在几年前展示了他们自己的Crytek引擎的演示版本，该引擎在AMD Radeon RX 5000系列卡(游戏邦注:一种没有RT核心的GPU)上运行光线追踪反射，尽管性能预期较慢。如果你在AMD Radeon RX 6000系列卡上运行相同的演示程序，并配备RT核心，它将显著加快DXR场景的处理。
RT核(专门用于计算光线的数学运算)可以帮助任何显卡(AMD或nvidia品牌)更快地运行DXR，但DXR不需要RT核来运行。
让我们看看光线追踪如何改善游戏的视觉效果。我在史克威尔艾尼克斯做了以下截图暗影:古墓丽影用于PC，它支持在Nvidia GeForce RTX显卡上的光线跟踪阴影。特别要注意地面上的影子。
这是《古墓丽影:暗影》中的另一对场景……
让我们看看最后一组…
光线追踪的阴影与苛刻的光栅化版本相比更加柔和和真实。它们的黑暗程度取决于物体遮挡的光的多少，甚至取决于阴影本身，而栅格化似乎给每个物体一个坚硬的边缘。栅格化阴影看起来仍然不错，但在玩了带有射线追踪阴影的游戏后，就很难再回到过去了。
目前，游戏中的光线追踪支持有些两极分化，因为这个功能必须实现分别AMD和Nvidia卡。更多的游戏支持英伟达卡，主要是因为英伟达在2020年之前是唯一一家生产具有光线追踪功能的显卡的公司，但越来越多的游戏开始同时支持这两种风格。后者的例子包括2077年网络朋客，泥土5，Godfall,《魔兽世界:阴影之地》．
射线跟踪:性能影响
说到PC图形，一切这是有代价的，光线追踪的视觉效果也不例外。启用它通常会导致性能损失，其影响因游戏而异。
让我们以游戏《暗影:古墓丽影》中的内置基准为例。我在一个可以玩游戏的电脑上运行了AMD锐龙9 5900X处理器，GeForce RTX 3080显卡，32GB内存。下面的数字，在两种分辨率下测试，是平均帧每秒(fps)。流畅的游戏玩法至少需要60fps。
光线跟踪带来的两位数性能冲击非常显著，注意这是在启用了性能增强的DLSS特性后产生的。DLSS是nvidia特有的特性，在某些游戏中得到支持，可以帮助减少光线追踪计算负载对帧率的影响。(有关DLSS的更多信息，请参阅我们的特性测试英伟达的DLSS 2.0:免费提高帧率?) DLSS显示了巨大的前景，但游戏必须支持它。虽然它是最近势头迅猛(在一个新窗口中打开)在美国，对它的支持远非普遍。
记住，这种性能权衡只是来自于阴影和灯光效果的应用，所以今天的技术距离使用光线追踪来渲染整个游戏还有很长的路要走。也就是说，在这种情况下，性能冲击是最糟糕的情况，因为这款游戏的光线跟踪阴影设置对性能的负面影响较小。
值得一提的是游戏优化。毫无疑问，开发人员将学习如何更好地优化光线追踪，就像他们优化光栅化一样，所以从当前的硬件中获得更多的光线追踪效果应该是可能的。(再一次，看看栅格化已经发展到什么程度。)
我们已经回顾了一些重要的光线追踪游戏
DLSS也是一种有用的方法，我们希望随着时间的推移，DLSS能得到改进和扩展。AMD也在开发自己的dss风格的节能替代方案，被称为“超级分辨率”。超级分辨率是与微软的DirectML团队(“ML”是“机器学习”的缩写)共同开发的。然而，AMD表示，这项技术仍是一种出路，我们可能不会看到任何游戏运行，最早要到2022年。
射线追踪的未来:慢慢获得动力
尽管在今天的游戏中光线追踪的应用有限，但它仍然存在。自从AMD继英伟达之后推出具有硬件射线追踪支持的Radeon显卡以来，这一预言就已经不攻自出。Xbox Series X和PlayStation 5的硬件光线追踪支持进一步证明了这一点。
在这一点上，采用光线追踪的选择是针对主机游戏玩家的。它也为购买现代中高端显卡的PC玩家制作，因为所有最新型号的显卡都支持硬件射线追踪，但问题仍然是使用较老或较低端显卡的玩家应该升级，还是市场上的玩家应该掏钱。
简而言之，没有必要投资支持硬件光线追踪的显卡，除非您确定视觉差异值得花钱。射线追踪目前几乎没有为游戏提供其他优势，所以它可以归结为简单的乐趣。
目前有限的可用性和显卡价格高因此，除非你足够幸运地获得GeForce RTX或Radeon RX 6800卡，否则将射线追踪保留在愿望清单中并将现金用于游戏中是有意义的。从长远来看，这种策略的效果会更好，因为你可以在等待的时候重新体验任何你购买的添加了射线追踪支持的游戏。
