实时光线追踪,以及它对视频游戏的意义,解释说

随着4月​​份的到来,以及在周日的上 ,控制台游戏的未来终于变得不那么朦胧了。

目前细节仍然稀缺。 索尼证实,它不会在2020年之前发布PlayStation 5(或其最终被称为),微软表示,计划思嘉将于2020年假期( 作为 )。 但是有一个关键的下一代图形功能似乎在控制台和PC游戏中获得了吸引力 - 不,我们不是指8K分辨率,PS5和Project Scarlett显然会支持它,即使它几乎没有闪烁。大多数消费者的眼睛。

光线追踪 - 特别是 - 是游戏图形中最新的流行语,有充分的理由:这是未来。 ,这种技术才在视频游戏中不可行; 它主要局限于好莱坞电影制作的世界,它长期以来被用来制作动画和视觉效果中的计算机生成的图像(并且用于将CGI与真人动画片段无缝地融合)。 现在,确认PS5和Project Scarlett将支持实时光线跟踪,它有望成为下一代图形的定义元素之一。

但是为什么ray追踪电子游戏这么重要? 它与游戏制作者几十年来做事的方式有什么不同? 让我们潜入 - 不要担心,我们会尽量不要太讨厌。

实时光线追踪,以及它对视频游戏的意义,解释说
在Remedy的即将推出的游戏控制中,一个潮湿的办公室楼层,有光线跟踪反射。
补救娱乐/ 505游戏
什么是光线跟踪,它是如何工作的?

在现实世界中,我们看到的一切基本上都是光在我们视野中击中物体的结果。 这些物体吸收,反射和/或折射光的不同程度决定了一切对我们的影响。

光线跟踪本质上是相反的过程,名称非常直观:它指的是通过“跟踪”从假想的眼睛或相机到该图像中的对象的光路径来计算机生成图像的方法。 (这比跟踪光源发出的所有光线更有效;处理任何不能使观察者进入的光线都会浪费计算能力。)

光线跟踪算法考虑了材料和光源等元素。 例如,如果一个是由皮革制成而另一个是由橡胶制成的,则两个相同橙色阴影的篮球看起来不一样,因为光与它们的相互作用非常不同。 任何更有光泽的东西,如金属或硬塑料,都会产生反射并用间接光照亮附近的物品。 坐在任何光线路径上的物体都会投下阴影。 透明或半透明的物质,如玻璃或水,会折射(弯曲)光线 - 想想如果它坐在一杯水中,吸管会破裂的方式。

实时光线追踪,以及它对视频游戏的意义,解释说
光线追踪图。
Henrik / Wikimedia Commons

因为光线追踪是基于模拟光在现实生活中的移动方式以及它与物理物质和材料相互作用时的行为 - 即它受物理定律支配 - 通过光线追踪产生的CGI可以真正实现真实感。 这就是为什么这项技术已成为电影制作的常态。 但是光线跟踪的缺点是它的计算量很大,以至于对于实时视频游戏图形的需求来说是不切实际的(直到最近)。

为了解释原因,让我们进一步深入了解光线跟踪实际如何工作的细节。 在上图中,将网格视为计算机监视器。 为了从现代视频游戏渲染场景,计算机将游戏的3D虚拟世界映射到作为监视器的2D观察平面。 在这样做时,计算机必须确定屏幕上每个像素的颜色 - 而1080p显示器的北部为200万像素。

该过程开始于从相机通过每个像素投射一条或多条光线​​,并观察光线是否与任何三角形相交。 (计算机图形中的虚拟对象由多边形组成,有时数千或数百万个三角形。)如果光线确实碰到三角形,则算法使用三角形的颜色及其与相机的距离等数据来帮助确定最终像素的颜色。 此外,光线可能会从三角形反射或穿过它,产生越来越多的光线来测量。 并且通过像素描绘单个光线不足以产生逼真的图像。 光线越多,图像质量越高......处理成本越高。

像Weta Digital和Pixar这样的公司拥有“渲染农场” - 超级计算机可能会使用数万个处理器内核协同工作 - 可以花费数小时的时间生成特定视觉效果的单帧,或者屏幕上的所有内容都在CG-中动画片。 但是生成一帧视频游戏的所有CPU和GPU计算都必须在几分之一秒内完成。 这是因为游戏机必须能够每秒至少30次渲染一个新的帧,以提供流畅的游戏体验。 (这就是预渲染过场动画通常看起来比现场游戏更好的原因:当开发人员可以花时间为预先录制的视频生成素材时,他们可以投入更多内容。)

相比之下,实时计算机图形已经使用称为“光栅化”的过程渲染了数十年。虽然光栅化也需要大量的计算能力,但现代GPU非常擅长使用该技术快速绘制多边形并将其转换为像素然后可以加阴影和点亮。 然而,在制作照片般逼真的图形时,光栅化存在很大的局限性,特别是在照明方面。 多年来,游戏开发人员已经设计出巧妙的技术来生成照明元素,例如反射,阴影和间接照明,但是这些实现中的许多实现了所需的黑客攻击和变通方法,因为光线跟踪不是一种可行的替代方法。

最新的图形技术使用光栅化和光线跟踪,通过每个方法最适合的特定任务来分割两种方法之间的渲染任务。 去年秋天,Nvidia推出了新的 ,其中包括专为计算光线追踪计算而构建的硬件,从而为消费者带来了光线跟踪。 今年4月,该公司发布了一款新驱动程序,以便提供 ,尽管性能较低。

EA DICE在“ 使用该技术进行反射,Crystal Dynamics专注于阴影”中的 ,而4A游戏则在进行全局照明和环境遮挡。 光线跟踪支持目前仍然有限,但这可能会发生变化。

为什么光线追踪视频游戏图形的未来?

这是电子游戏中实时光线追踪的早期阶段。 Nvidia的RTX显卡是唯一能够为该技术提供基于硬件支持的消费级GPU,这就是为什么利用该功能的游戏数量很少的原因。 但随着越来越多的利益相关者加入,未来看起来更加光明和明亮。

去年秋天,微软将光线追踪支持集成到DirectX 12,这是Windows和Xbox One游戏的关键软件。 在3月举行的2019年游戏开发者大会上,Epic Games和Unity Technologies宣布他们各自的游戏引擎 - 虚幻引擎和Unity,它们是现代游戏开发中最受欢迎的两个引擎 - 现在可以为光线跟踪提供原生支持。 Crytek很快将基于软件的光线跟踪集成到其CryEngine中,这意味着该功能可以在CryEngine游戏中运行,而无需专用硬件,如Nvidia的RTX卡。

在射线追踪方面,Nvidia的主要竞争对手AMD不会坐视不管。 该公司尚未发布自己的GPU,基于硬件支持该功能 - 周一在E3 2019推出基于其下一代Navi架构的两张卡, ,AMD没有提及光线追踪。 然而,Project Scarlett和下一代PlayStation都将在AMD芯片上运行,包括基于Navi的定制GPU。 如果PS5和Scarlett支持光线追踪,那么AMD的一些Navi显卡也是安全的选择。

从现在起一年后,AMD可能会加入Nvidia,销售支持光线跟踪功能的GPU。 那时,我们可能距离PS5和思嘉的首次亮​​相只有几个月的时间。 这将为游戏开发者创造一个巨大的,坚如磐石的基础,这是制作支持光线追踪功能的游戏的一个令人信服的理由。 它将推动视频游戏图形向前发展,将游戏带入前所未有的照片级真实感。

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