什么是实时光线追踪技术？它可能出现在当前的次世代主机上吗？

愿为素心人 · 发表于 2020-12-31 19:37

我假设你问的其实是ray tracing是什么，因为我想如果知道ray tracing，那么实时ray tracing就不是问题了。

ray tracing是一种渲染（成像）技术，基本原理是从相机向空间做射线，根据射线与空间物体的交错点的几何属性（位置）、物理属性（材质），和空间中光源的性质，最后计算出该点的颜色值。是目前很多数字电影后面的渲染引擎（如pixar的Renderman）用的技术（现在的这些引擎，会杂很多的技术在里面，如photo mapping）。

这种技术能做出相片级的渲染，但是每一帧画面耗时非常的多。为了得到一个像素的值，可能会在场景里产生大量的射线，譬如，每个像素可能衍生出了1000、甚至是10000根射线。在ray tracing中，大量的碰撞就是ray和物体的碰撞检测。

但是，这并不是ray tracing不能实时的理由。国外有文章提到过（早期看的，找不到来源了），软件光栅化的方法写出的3D渲染器和用ray tracing方法渲染器同时来计算出一幅画面的话，可能差距不是很大。现在的3D引擎是实时的，是因为GPU（光栅化技术）渲染的能力能实时吞吐。对于ray tracing来说，没有相对应的专门的硬件（肯定有本身算法导致硬件不是那么好弄），才使它不能“实时”。

当然，现在有用GPU来进行ray tracing的，如英伟达（Nvidia的）：

NVIDIA OptiX Ray Tracing Engine

和Power VR（手机里GPU的一家供应商）的

PowerVR OpenRL Ray Tracing

但是，它们这些GPU还应该只是利用GPU来帮助ray tracing。

所以，第二个问题答案也就是，有了相应的xPU就可以实时。未来我想有是肯定的。

另外：
推特我没有看，但是GPU界的几个老大现在就到这样，微软估计肯定不会比他们还牛逼，但是世事难料，也许半路杀出个黑马来，但我不信是微软了, :)

后补：

正好看到一篇中文文章，翻译的fxguide的，这篇文章涵盖大量的信息，供后来者参考。

渲染艺术之渲染器与渲染流程

风来时狂放 · 发表于 2020-12-31 19:45

实时光影一直都是一个梦想，但是它太过于消耗资源，除非算法上有很大的突破，否则现阶段的游戏主机还是吃不住

万胜 · 发表于 2020-12-31 19:52

次时代主机的显卡只相当于中端台式机显卡（记得某次时代主机直接用AMD A10 6800K）。所以不可能大规模用实时光线追踪吧。
我猜你可能是把屏幕空间的一些技术当成那个了。现在有一些屏幕空间的光线效果，看起来很真。但至少就我所知，屏幕空间的光线追踪还是处于比较初始的阶段，而且有一些很显著的技术障碍，因为没法解决信息缺失的毛病。

麻辣鸡翅 · 发表于 2020-12-31 20:00

具体ray tracing的知识大家都有回答了，简单谈谈个人感受。

一句话概括，ray tracing更符合实际物理，所以更真实。

当时做的最simple的raytracing的project，用的phong illumination的递归算法去渲染一个球，随着光线层次的增加，明显感觉到机器的计算能力不够用。更别提实时渲染了。

现在在做powervr的公司上班（本人在做cpu,和computer graphics完全没关系- -）前两天ceo在公司会上说realtime raytracing貌似和微软合作取得了突破性进展，不过本人高度怀疑这个“突破性”。- -。因为真的可能需要推倒现有gpu架构完全重来。

随着ASIC的发展，realtime ray tracing一定是可以实现的。那种真实的场景体验是能够碾压现在任何游戏的。到时候真的是virtual reality，刀剑神域神马的简直酸爽。

因醉鞭名马幌 · 发表于 2020-12-31 20:10

我见过的目前最快的实时光线跟踪渲染器是FurryBall，这个软件有maya和max的插件，也有独立的软件，依靠显卡GPU，并且支持毛发，流体，次表面散射实时渲染，效果很惊人！而且对于反射，折射，环境光遮，次表面散射等都可以单独在光线追踪算法和光栅化二者间直接切换。不过目前AAAStudio对FurryBall的更新比较频繁，还不是很稳定，而且奇贵无比还没破解……（附：FurryBall官网：FurryBall - Real-time GPU render和介绍视频：FurryBall 4.5。FurryBall 4 - New Features .mp4 视频

风吹吹蛋蛋疼风w · 发表于 2020-12-31 20:12

光线追踪就是根据一个点，推算使这点发光的多束光路，从而渲染像素点。光线追逐是一个非常消耗资源的项目，如1L所说，皮克斯在Cars中少量引进了该技术，但是据说该部分消耗的渲染时间是恐怖级别的（因为皮克斯的渲染农场是针对传统渲染程序设计的）。即便是NVIDIA,在4系卡上也只是借用开普勒核心首次讲“入门”级别的光线追踪引进到家用卡上、但是根据专业机构的评测，4系卡只能做到10fps以内的少量低分辨率的渲染，明显不够用，即便是升级了的6系，恐怕也不能达到基本的30fps吧。

家用主机的话，硬件性能统统在PC之下，也就是说…下代你都见不到的！

Jacqueline季 · 发表于 2020-12-31 20:20

我这个人比较蛋疼，恰好知道一些偏门的知识…
几位高人真的觉得现在不可能嘛？真的嘛？真的嘛？
话，不要说的太满…（我真心觉得应该开一门电脑游戏史的课程）

如果只是从【满足游戏效果】的角度来说，这个技术已经应用于至少一款游戏之上（这句话并不严谨，读到下面就明白了），并且从游戏配置来说，目前家用游戏机的性能理论上是可以运行的。
更重要的——
那是2004年，整整11年前。
下面有请：

Quake 3 Aerna Demo: Ray traced

2004年，萨尔布吕肯大学（Saarland University）的Daniel Pohl和他的同学，利用OpenRT-API，在Quake 3 Aerna Demo的基础上完成了游戏开发，实现了实时光线追踪的游戏引擎（原文realtime 3d raytrace engine），并且实现了移动、射击、跳跃、碰撞检测等基础功能。
看图咯

（以上图片来自Quake 3: Ray Traced，相关资料也可在此阅读）

当然，最初，正像上面几位专家所认为的那样，效率太低根本没法玩。原作者推断按照最初的设计，在36 GHz（没写错，是36，不是3.6）的CPU上能实现20fps@512x512 w/ 4xFSAA。他最初在实验中使用的是分布式渲染。

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有人要说了，这没法玩吧？

我还没说完呢。
读下去。
巨头Intel伸出了橄榄枝。他加入Intel成为了全职的工程师。有了Intel的强力支持，他又做了下面的事情。他继续将手伸向了id公司的其他游戏（quake3的引擎想必给他留下了深刻印象），2006年他对Quake 4下手了（我还没太整明白这到底是入职Intel之前就启动的项目还是之后）。

水面的起伏倒影是光线追踪的结果（这是Q3的model没错，但作者确实说了这是Q4: Raytrace）

虽然审美上不怎么样，但这个镜面反射是实打实的光线追踪。

2006年在Intel的 &#39;Core 2 Extreme QX6700&#39; 上， 256x256 分辨率的Quake 4 地图 &#39;Over the Edge (Q4DM7)&#39;，实现了16.9fps。
下面是单、双、四核的表现

看到这里是不是有人又要骂了，256x256的分辨率怎么玩啊！
慢着，还没完啊…
急啥！

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正如作者在Q3时代估计的那样，（他设计的引擎的）光线追踪的实现直接有赖于CPU的强力程度。所以咧？等强力的CPU出现！

这哥们在2008年对Quake Wars下手。
同年实现了四颗Tigerton 四核CPU（4x4=16核心，超频）上15 - 20 fps @1280x720的帧率
同年在Caneland平台上使用四颗6核CPU实现了25~30fps@1280x720的帧率。
2009年在 (500+ 怪物, 3D 水面)双CPU Nehalem平台 (2x4=8核心，频率3.2 GHz a，实现了约15 - 20 fps @1280x720.

这是利用bump map的水面：

而这是利用光线追踪的水面

（源，Intel官网：Quake Wars* Gets Ray Traced）

还有，2010年他开始在Wolfenstein中实现Raytrace

到了2011年。
Intel发话了

We are demonstrating this on the Lenovo S10-3t (10 inch) and on the Viliv S5 UMPC (5 inch). Due to the lower screen resolution a cloud setup with one machine with one Knights Ferry per client is enough to feed the tablet at a frame rate of 20-30 fps.（粗体是我加的）

他们使用如下的一台服务器，实现了针对较低分辨率（laptop的分辨率超过1024x768）设备的20-30fps的流媒体推送：

（源：Tracing Rays Through the Cloud）

这里有两点要强调的，即intel也认识到未来云计算是实现高性能计算的保障，所以他们这个研究的主要方向是云计算与流媒体；其次，这次虽然是流媒体推送，但参与运算的只是【一台】服务器，而不是服务器集群。

所以说，我们可以认为这一台机器实现了较低（但可接受）分辨率下的游戏，在2011年。
那么，现在的2015年，又会如何呢？
问题是小哥2013年就停更了…不知道后来如何~

——啊，当然，特效都关了。可能有人鸣不平，说特效关了玩个毛。但有没有想过，为什么游戏敢duangduang的加特技？因为这些特效没有光线追踪那么吃资源啊，这本身是一种偷懒的近似啊，是一种掩盖啊。全加上了，怎么看raytrace的效果（而且估计还是有点吃力）

路漫漫其修远兮，但世界上已经有很多人走在了前面。而且确实弄出来东西了。

啊，最后来认识下这位小哥

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话说Intel在2007年搞的这又是个啥？
是个静态场景实现了90fps@1280x720？

白云追月素 · 发表于 2020-12-31 20:23

关于实时光线追踪原理各位大咖已经回答得很详细了，这里不再赘述。
大家似乎都同意“光线追踪就是未来”。光线追踪会不会总是未来的梦想，而永远不会在当下实现呢？在GDC 2018上，NVIDIA推出了RTX，其基于NVIDIA Volta GPU及未来GPU的超高性能，将赋力NVIDIA所支持的所有光线追踪API。同时，微软也宣布将光线追踪纳入其行业标准DirectX API中。
这两种技术构成了强大的组合，我们可以自信地回答上述问题：未来已来！这种说法毫不夸张：现在领先的游戏工作室已经开始采用RTX，通过DirectX开发即将推出的游戏。光线追踪在游戏中的应用不再是梦想。它此时此刻正在发生，且将迎来一个实时图形的新时代。
了解技术详情，大家可参考如何评价 NVIDIA RTX Technology?
以及NVIDIA英伟达：基于RTX的NVIDIA OptiX光线追踪
或者NVIDIA GameWorks光线追踪页面。

dxf17 · 发表于 2020-12-31 20:33

PS4上的杀戮地带4号称用了，你可以去看看，不过我看那个只是一定程度应用这个技术，和影视级别的差距还是很大，说到底，噱头而已

jimmy肖明 · 发表于 2020-12-31 20:40

不可能。

最基本的， @lgthetyro 图中的scene object 都无法做到所有object都是有3D模型支持的非纯贴图。很简单的例子，目前无法做到远景如山脉，天空中的云以多边形，或粒子系统去支撑，而是为了frame rate用一大整张纸片贴图糊弄上去（远处的山，星空，云全是纸片）

场景中连全3D模型都做不到，如何做ray tracing？对着一张张的平面的纸片贴图去trace吗？

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