实时技术简要介绍
实时光线追踪是什么，为什么要关注它？
由Epic Records提供
过去三四年，你可能听到过大量关于实时光线追踪的消息。你的朋友或许对你说过，你的下一台个人电脑或笔记本电脑确实需要搭载一块让你梦寐以求的NVIDIA RTX显卡。但你可能并不是十分了解这项激动人心的技术。倘若如此，这篇文章就是为你准备的。
首先，光线追踪是什么？
我们先从基本概念讲起。我们将为光线追踪提供一个概略性的定义，再看看光线追踪与它在许多情况下所取代的光栅化技术有什么不同。
光栅化和光线追踪都是计算机图形学的渲染方法，用于为屏幕上显示的（或当你按下“渲染”按钮后，在硬盘上创建的）图像确定其中像素的颜色。
光栅化的工作原理是从后往前绘制场景中的物体，通过变换矩阵将3D物体映射至2D平面。它根据网格体（模型）中存储的信息（颜色、纹理、法线），结合场景中的光照，确定每个像素的颜色。通常，它比光线追踪快得多，但无法模拟真实反射、半透明和环境光遮蔽等依赖于反射光照的效果。
光栅化和光线追踪都是计算机图形学的渲染方法，用于为屏幕上显示的（或当你按下“渲染”按钮后，在硬盘上创建的）图像确定其中像素的颜色。
光栅化的工作原理是从后往前绘制场景中的物体，通过变换矩阵将3D物体映射至2D平面。它根据网格体（模型）中存储的信息（颜色、纹理、法线），结合场景中的光照，确定每个像素的颜色。通常，它比光线追踪快得多，但无法模拟真实反射、半透明和环境光遮蔽等依赖于反射光照的效果。
另一方面，光线追踪的工作原理是，从摄像机的视角投射光线，在它到达光源之前，追踪它在场景物体间的反射路径，并沿途收集和存储颜色。由于这种方式模仿了光线的物理行为，因此比起光栅化，它能够提供质量更高、效果更逼真的结果，例如柔和精致的阴影、环境光遮蔽以及准确的折射和反射。然而，这些好处通常是以牺牲速度为代价的。
实时渲染是什么？
当你在影院观看电影时，无论是包含真实演员和环境的实景真人影片，还是由计算机生成的故事片，你的大脑所感知到的连续运动实际上是通过镜头每秒连续播放24个独立帧实现的。
对于计算机生成的影片，每一个帧都必须得到渲染，也就是说，计算机必须计算出该帧每个像素的外观。在传统计算机图形（CG）管线中，这个过程是通过离线渲染器完成的。那时，为了达到所需的分辨率和质量，花费几小时甚至是几天时间渲染一帧画面并不是罕见的情况。
然而，对于游戏或其他交互式应用，我们无法预知摄像机每时每刻将会拍摄到哪些内容，帧的渲染速度与播放速度必须相同，这就是所谓的实时。如今，游戏每秒有60帧甚至120帧需要渲染，相当于几毫秒渲染一帧。
光栅化的速度足够快，因此几十年来，游戏的实时渲染一直采用这项技术——尽管这其中存在着不少奇技淫巧和妥协。而直到不久之前，只有离线渲染才会用到光线追踪。过去，游戏中唯一用到光线追踪的地方就是过场动画（也称作剧情画面），它们就像电影一样，需要提前渲染，然后在游戏中被简单地回放出来——你无法与之互动。
对于计算机生成的影片，每一个帧都必须得到渲染，也就是说，计算机必须计算出该帧每个像素的外观。在传统计算机图形（CG）管线中，这个过程是通过离线渲染器完成的。那时，为了达到所需的分辨率和质量，花费几小时甚至是几天时间渲染一帧画面并不是罕见的情况。
然而，对于游戏或其他交互式应用，我们无法预知摄像机每时每刻将会拍摄到哪些内容，帧的渲染速度与播放速度必须相同，这就是所谓的实时。如今，游戏每秒有60帧甚至120帧需要渲染，相当于几毫秒渲染一帧。
光栅化的速度足够快，因此几十年来，游戏的实时渲染一直采用这项技术——尽管这其中存在着不少奇技淫巧和妥协。而直到不久之前，只有离线渲染才会用到光线追踪。过去，游戏中唯一用到光线追踪的地方就是过场动画（也称作剧情画面），它们就像电影一样，需要提前渲染，然后在游戏中被简单地回放出来——你无法与之互动。
是什么使实时光线追踪成为可能？
那么，情况是如何发生改变的？2018年，同时出现了两种技术催化剂：Microsoft的DXR（DirectX光线追踪）框架和NVIDIA的RTX平台。2018年3月，在GDC大会上，Epic Games与NVIDIA及ILMxLAB合作，通过包含《星球大战：最后的绝地武士》角色的技术演示《Reflections》，首次展示了实时光线追踪技术。
这段作品展示了具有纹理的区域光源、光线追踪区域光源阴影、光线追踪反射、光线追踪环境光遮蔽、电影级景深，以及NVIDIA实时去噪器。这一切都是实时运行的。
这就是早期情况。那时，虚幻引擎原型的代码尚未提供给用户；实时运行那段演示所需的硬件包括一台带有四块NVIDIA Volta GPU的NVIDIA DGX Station，标价约为7万美元。因此，无论是软件还是硬件，都是普通用户可望而不可即的。
这就是早期情况。那时，虚幻引擎原型的代码尚未提供给用户；实时运行那段演示所需的硬件包括一台带有四块NVIDIA Volta GPU的NVIDIA DGX Station，标价约为7万美元。因此，无论是软件还是硬件，都是普通用户可望而不可即的。
实时光线追踪是所有人都能接触的技术吗？
时间快进到2018年8月，在Gamescom，NVIDIA展示了在其新发布的一块GeForce RTX 2080 Ti GPU（售价1200美元）上实时运行的《Reflections》。
次年3月，Epic Games在GDC大会上宣布，已将实时光线追踪技术作为测试版功能整合到了虚幻引擎4.22中。Epic Games采用混合方式，将两种技术结合在一起，实现了实时结果：对于能够受益于光线追踪功能的通道，为其提供光线追踪，对于无法从光线追踪中受益的通道，为其提供传统的光栅技术。
作为公告的一部分，Goodbye Kansas和Deep Forest Films通过一部以数字人类为主角的实时影片《Troll》，展示了该软件在12个月内取得的成就。
次年3月，Epic Games在GDC大会上宣布，已将实时光线追踪技术作为测试版功能整合到了虚幻引擎4.22中。Epic Games采用混合方式，将两种技术结合在一起，实现了实时结果：对于能够受益于光线追踪功能的通道，为其提供光线追踪，对于无法从光线追踪中受益的通道，为其提供传统的光栅技术。
作为公告的一部分，Goodbye Kansas和Deep Forest Films通过一部以数字人类为主角的实时影片《Troll》，展示了该软件在12个月内取得的成就。
光线追踪将带来哪些好处？
我们从实时和离线两方面看看光线追踪的部分切实好处。
准确的反射大幅增强了场景的可信度。光线追踪反射支持光线多次反弹，这意味着我们可以让多个反射面产生相互反射的效果，就和现实中一样。它还支持反射视野外的物体。对汽车设计师和营销人员来说，光线在表面上的反射方式是非常重要的，有了光线追踪，在汽车被制造出来之前，他们就能够看到光线将如何反射。
准确的反射大幅增强了场景的可信度。光线追踪反射支持光线多次反弹，这意味着我们可以让多个反射面产生相互反射的效果，就和现实中一样。它还支持反射视野外的物体。对汽车设计师和营销人员来说，光线在表面上的反射方式是非常重要的，有了光线追踪，在汽车被制造出来之前，他们就能够看到光线将如何反射。
由GIANTSTEP提供
光线追踪阴影可以为环境中的物体模拟柔和的区域光照效果。这意味着，物体的阴影在接触面附近将更清晰，而在较远的地方则会变得较为柔和与宽阔，程度依据光源的尺寸或照射角度而定。除了让场景中的物体更加贴近现实生活，光线追踪阴影还能捕捉到室内装潢等方面的精致细节，使室内设计更逼真可信。对建筑师来说，光线追踪阴影还能帮助他们对太阳光做出准确的研究。
全局光照可以让你在考虑物体材质吸光性和反射性的同时，模拟光线与物体间的自然交互对场景中其他物体颜色的影响。它极大地提高了场景的真实性。有了光线追踪，全局光照将得到逐帧计算，无需采用预先烘焙的方式，这意味着，随着时间的改变（例如灯被打开或关闭，太阳升起，或者门被开启），光照是可以产生相应变化的。虚幻引擎的Lumen是一个完全动态的全局光照和反射系统，使用多种光线追踪方法。
环境光遮蔽是指区域因自然遮挡环境光线（不是由光源直接产生的光线）而产生阴影，例如墙壁相接处的角落和边缘，或者皮肤的缝隙和皱褶。比起屏幕空间环境光遮蔽，光线追踪环境光遮蔽要准确得多，因此也更加真实可信。
对于室外渲染，或拥有大窗户的室内，要创建逼真可信的场景，准确刻画天空光照是至关重要的。有了光线追踪，你可以使用高动态范围（HDR）图像照亮场景，从而产生微妙、柔和的效果，有效地模拟真实世界。
由ARCHVYZ提供，由Toledano Architects设计
除了这些好处，光线追踪的设置和用法通常更加简单，要在光栅渲染器中实现类似的效果，需要用到深度贴图阴影、烘焙全局光照以及反射探头或平面等较复杂的方法。
哪些人正在使用实时光线追踪？
许多游戏开发商的目标是不断加深其体验的可信度，因此，对他们来说，选择实时光线追踪是一件自然而然的事。但3A级游戏通常会有三到四年的制作周期，玩家必须耐心等待，才能享受到新技术的好处。然而如今，最新一批画面绚丽并且采用实时光线追踪技术的游戏已如雨后春笋般不断涌现，例如《火星孤征》、《幽灵线：东京》和《地狱之刃：塞娜的献祭》。还有许多其他作品正处于制作阶段。
除了游戏行业，使用虚幻引擎实时光线追踪功能的领域还包括建筑可视化（案例：Buildmedia的交互式销售工具）；汽车可视化（案例：斯巴鲁的VR设计审查工具）；电影和电视虚拟制片（案例：大众汽车制作环保车辆的广告）；其他实时应用不一而足。从虚拟音乐会到在线时装试穿，任何追求真实感的互动应用都能从实时光线追踪中获益。通过模拟光线的自然行为，具备实时光线追踪的体验更具沉浸感和可信度。
由Epic Records提供
实时光线追踪也在电影和电视行业的动画内容创作领域引起了轰动，Studio EON采用虚拟制片技术制作的剧集《龙甲合体》就是证明。如果可以将渲染时间缩至传统管线的几分之一，同时仍呈现出满足观众要求的外观，你不仅将节约制片成本，还可以在最后一刻进行迭代，为故事找到最佳版本。
来自《龙甲合体》| Studio EON
由ARCHVYZ提供，由Toledano Architects设计
