显卡（Graphics Processing Unit，GPU）光线追踪详细介绍

显卡的光线追踪（Ray Tracing）详细介绍

光线追踪（Ray Tracing）是一种渲染技术，通过模拟光线的传播过程来生成极为真实的图像。与传统的光栅化渲染不同，光线追踪以物理为基础的算法进行图像生成，追踪从摄像机（视点）发出的光线，逐一计算它们与物体的交互，包括反射、折射、阴影、光照等效果，从而生成细腻且真实的图像。

尽管光线追踪已被广泛应用于电影制作和高质量渲染中，但由于其计算复杂度高，传统上无法实时进行。然而，随着显卡硬件的发展，尤其是 NVIDIA RTX 系列显卡 和 AMD RDNA 2 架构 中的硬件加速，光线追踪已经成为游戏图形渲染中的一项重要技术。

本文将详细介绍光线追踪的基本概念、实现原理、在显卡中的应用、硬件加速技术以及在游戏中的应用。

1. 光线追踪的基本概念

光线追踪技术模拟的是光从光源发出后经过不同介质的传播、反射和折射的过程。其基本思想是通过从观察者（摄像机）视角出发，追踪光线与场景中物体的相互作用，最终确定每个像素的颜色值。光线追踪的工作原理可以概括为以下几步：

1. 光线的发射：从观察者的视角出发，向场景中的每个像素发射光线（也称为视线光线或视角光线）。
2. 光线与物体相交：光线与场景中的物体相交，找到相交的物体（例如三角形、球体等）。
3. 光线与物体交互：光线与物体相交后，计算光线与物体的交点，接下来进行以下几种交互：
   • 直接光照：计算光线与光源之间的交互，确定物体表面是否被光照射到。
   • 反射光线：计算物体表面的反射光线，反射光线继续追踪，模拟反射效果。
   • 折射光线：计算物体表面的折射光线（如透明介质中的折射），模拟折射效果。
   • 阴影：如果光线被其他物体遮挡，计算该点的阴影效果。
4. 最终颜色计算：根据光照、反射、折射、阴影等因素，计算该像素的最终颜色。

2. 光线追踪的基本原理

光线追踪的核心思想是模拟光的传播路径，并追踪光线与物体的交互过程。以下是光线追踪的几个关键概念：

2.1 基本光线传播过程

光线追踪基于光的几何学原理，跟踪光从视点（摄像机）发出，经过场景中的物体，直到最终与光源相交的过程。这个过程被称为 光线-物体交互。每个像素的颜色是通过追踪该像素发出的光线，跟踪光线与场景中物体的交互，最终确定像素颜色。

• 反射：当光线与物体表面相交时，根据物体表面材质的不同，光线会发生反射。反射的光线会继续沿反射方向传播，直到与其他物体相交或离开场景。镜面反射会产生真实的反射效果，增强物体的高光和镜面效果。
• 折射：透明物体（如玻璃、水等）会发生折射，光线穿过物体时发生折射并改变传播方向。折射光线通常需要考虑介质的折射率，从而获得真实的透明效果（例如玻璃、液体等）。
• 阴影：如果某个点的光线被其他物体遮挡，那么该点就处于阴影中。计算光源与场景中其他物体之间的遮挡关系，确定阴影区域。

2.2 光线追踪算法的基本类型

光线追踪有几种不同的实现方式，常见的包括：

1. 基本光线追踪（Basic Ray Tracing）：最基本的光线追踪算法，通常只考虑直接光照和反射。计算光线从视点出发，经过场景中的物体，并最终得到颜色。

2. 递归光线追踪（Recursive Ray Tracing）：在基本光线追踪的基础上，考虑了光线与物体表面的多次交互，支持反射和折射。每次反射或折射光线都会递归地进行光线追踪，直到达到某个深度限制或没有进一步的交互。

3. 路径追踪（Path Tracing）：是一种蒙特卡罗方法，模拟光线从视点到光源的多次随机路径。这种方法考虑了更多的光照效应，如漫反射、光源间接反射、折射等。路径追踪能够模拟复杂的光照环境，但计算量非常大，通常用于离线渲染。

4. 光子映射（Photon Mapping）：这是一种基于光线追踪的全局光照算法，主要用于处理间接光照和反射。光子映射通过追踪光源发射的光子与场景中的物体相交，生成光照信息，然后将这些光照信息映射回场景，进行最终的渲染。

2.3 光线追踪的光照模型

光线追踪需要使用适当的光照模型来计算物体表面的光照效果。常见的光照模型包括：

• Phong 光照模型：一种经典的光照模型，考虑了环境光、漫反射光和镜面反射光。它简单且计算高效，适合实时渲染。

• Blinn-Phong 光照模型：是 Phong 模型的改进，主要优化了镜面反射部分。相比于 Phong 模型，Blinn-Phong 模型在处理镜面反射时更加高效。

• Cook-Torrance 光照模型：一种基于物理的光照模型，能够精确模拟材质表面的反射特性，常用于高级渲染中。

• 全局光照（Global Illumination, GI）：考虑了环境中物体之间的间接光照效果。光线追踪算法常结合全局光照模型来模拟更真实的光照效果，如辐射度传递（Radiosity）和路径追踪。

3. 光线追踪的硬件加速

尽管光线追踪能够生成高度真实的图像，但其计算量巨大，传统的 CPU 并不适合实时计算。因此，实时光线追踪在游戏中一直受到性能的限制。随着硬件的进步，尤其是专为光线追踪设计的硬件加速技术的出现，光线追踪得以在游戏中得到广泛应用。

3.1 NVIDIA RTX 系列显卡和 RT 核心

NVIDIA 在 2018 年推出的 RTX 系列显卡（如 RTX 2080、RTX 3080、RTX 4090 等）搭载了 RT 核心（Ray Tracing Core），这是专门用于加速光线追踪运算的硬件单元。RT 核心通过并行计算大幅提高了光线追踪的效率，使得实时光线追踪成为可能。

• 光线追踪硬件加速：RT 核心加速了光线与物体交互的计算，特别是在计算反射、折射、阴影等效果时，能够显著减少计算时间。
• Tensor 核心：除了 RT 核心外，RTX 显卡还配备了 Tensor 核心，专门用于加速深度学习和 AI 计算。这些 Tensor 核心可以用于实时光线追踪中的去噪算法，进一步提高渲染质量和效率。

通过硬件加速，RTX 显卡能够在支持光线追踪的游戏中提供流畅的游戏体验，并显著提升图像的质量。

3.2 AMD RDNA 2 和硬件光线追踪

AMD 在 2020 年推出的 RDNA 2 架构显卡（如 Radeon RX 6000 系列）也引入了光线追踪硬件加速。RDNA 2 架构的显卡通过专门的 Ray Accelerators 单元，能够加速光线追踪的计算，提高渲染性能。

尽管 AMD 的光线追踪硬件加速在性能上与 NVIDIA 的 RT 核心有所差距，但其支持的光线追踪效果依然非常出色，尤其在一些高性能的游戏中也能获得令人满意的帧率表现。

4. 光线追踪在游戏中的应用

光线追踪技术在游戏中的应用，能够显著提升图像的真实性和沉浸感。以下是光线追踪在游戏中的常见应用：

4.1 反射（Ray-Traced Reflections）

光线追踪最常见的应用之一是反射效果。传统的反射技术使用环境映射（如立方体映射）来模拟反射，但这种方法无法准确模拟复杂的反射，例如在水面或玻璃表面的细节。光线追踪可以通过直接计算反射光线，生成动态的、真实的反射效果。

4.2 阴影（Ray-Traced Shadows）

光线追踪可以生成更精确的阴影，尤其是软阴影。传统阴影技术通常采用阴影贴图，而光线追踪阴影则通过直接模拟光源与物体之间的遮挡关系，生成更自然的阴影效果。通过光线追踪，阴影的过渡更平滑，细节更加丰富。

4.3 全局光照（Global Illumination）

光线追踪能够更好地模拟全局光照效果，包括光源的间接照明、物体的反射光和折射光。通过路径追踪等技术，光线追踪可以实现更加真实的光照和反射效果，使得场景中的物体光照更加均匀且自然。

4.4 透明物体（Refraction）

光线追踪在处理透明物体（如玻璃、水面）时表现出色，能够精确模拟折射现象，使透明物体具有真实的光学效果。

4.5 自然景物和细节增强

光线追踪不仅能够提高反射、阴影等基本渲染效果，还可以增强自然景物的表现力。例如，在模拟水面、云彩、火焰等动态效果时，光线追踪能够提供更细腻的表现，使这些细节更加真实。

5. 总结

光线追踪技术通过模拟光线与物体之间的交互过程，实现了比传统光栅化技术更加真实的图像渲染效果。随着硬件加速技术的引入，光线追踪已经能够在实时渲染中得到广泛应用，为游戏带来了更加细腻和真实的图像表现。尽管光线追踪仍然需要较高的计算资源，但随着显卡性能的提升和算法的优化，光线追踪技术在未来的游戏和图形渲染中将发挥越来越重要的作用。