实时光线追踪：GPU如何改变游戏体验？

实时光线追踪：GPU如何改变游戏体验？

引用

gcores机核

等

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来源

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https://www.gcores.com/articles/186878

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https://blog.csdn.net/m0_61840987/article/details/144203996

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https://zhuanlan.zhihu.com/p/682544559

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http://chuquan.me/2024/04/27/foundation-of-computer-graphic-08/

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http://www.hwyzw.com/thread-10043-1-1.html

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https://developer.aliyun.com/article/1596863

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https://www.nvidia.cn/geforce/news/dlss4-multi-frame-generation-ray-tracing-rtx-games/

实时光线追踪技术是近年来游戏领域最引人注目的技术革新之一。它通过模拟光线在场景中的传播来实现更真实的光影效果，为玩家带来了前所未有的视觉体验。从《赛博朋克2077》到《使命召唤》，越来越多的游戏开始采用实时光线追踪技术，让玩家在游戏中感受到电影级别的视觉享受。

实时光线追踪是一种基于物理的渲染技术，它通过模拟光线在场景中的传播来实现更真实的光影效果。与传统的光栅化技术相比，光线追踪能够解决许多全局光照效果，如软阴影、光泽反射和间接光照等。

光线追踪的基本原理是采用针孔相机模型，分为视线生成和像素着色两个阶段。对于视线生成，以相机为起点，以像素为锚点，利用光的可逆性，建立一条视觉射线，找到视线与空间中的物体所产生的最近的交点。对于像素着色，当我们找到视线与物体之间的最近交点时，随即建立交点与光源的连线，判断交点是否在阴影之中，并根据结果来计算着色，写回像素结果。

《黑神话：悟空》是一款由游戏科学公司开发的动作角色扮演游戏，玩家将在游戏中踏上精彩纷呈的中国神话之旅。该游戏基于虚幻引擎 5，并用新的 RTX 技术。在 PC 端，视觉效果经过全景光线追踪技术的增强，成为迄今为止发布的沉浸感更强、技术更先进的游戏之一。

全景光线追踪技术对硬件要求更高，但可以高度准确地渲染光线及其在场景中的效果。这种先进的光线追踪技术也被称为路径追踪，视觉效果艺术家们可利用它打造以假乱真的电影和电视画面，但在配备 RT Core 的 GeForce RTX GPU 和 AI 驱动的 NVIDIA DLSS 加速技术到来之前，实时视频游戏无法实现全景光线追踪。

《黑神话：悟空》中的全景光线追踪技术提高了光照、反射和阴影的保真度和质量。水面的倒影呈现了周围的所有细节。水的焦散进一步增强了真实感，准确地呈现了光的折射和反射。粒子效果也能获得反射，使战斗更加动感十足、惊险刺激。全景光线追踪光照确保室内和室外的光照精确到像素，使光线被遮蔽或无法到达的区域变暗，并通过反射光线，以逼真的效果照亮游戏世界。与光照系统配合，具有接触硬化和软化效果的全景光线追踪阴影投射到各处，可渲染出树叶和卵石的小块阴影，以及几何结构复杂的建筑、主角以及巨大敌人的阴影。

全分辨率多次弹射光线追踪间接照明
在《黑神话：悟空》中，借助多次反射光线追踪间接照明，自然色彩光线可反射多达两次，营造出更逼真的间接光照和遮蔽效果。将屏幕空间反射、屏幕空间环境光遮蔽等渲染技术和现有的全局光照解决方案替换为一种单一的、统一算法，提供更准确的场景和物体光照，使每个场景的沉浸感拉满。

全分辨率光线追踪反射
借助光线追踪技术的强大功能，反射画面现在也包含了光线反弹的细节，并以全分辨率呈现，让游戏世界得到显著增强，并进一步提升了沉浸感。如下面的对比所示，静止的水坑以令人惊艳的细节为周围区域营造出一个镜子般的表面。

光线追踪粒子反射
在光线追踪游戏中，攻击、爆炸和火焰粒子特效的反射特别具有挑战性。这是因为粒子大多是半透明的，这可能很容易导致画序问题，而且粒子也有独特的性质。

为了提高质量并增强沉浸感，特效通常包含大量的单体粒子，而使用传统光线追踪方法会对性能带来巨大的压力。但本作采用一种新技术，使用两级光线追踪为大量面片系统进行画序无关的透明渲染，从而在实时反射中高效地渲染游戏的粒子系统。

该技术的率先集成显著增强了真实感、沉浸感和图像质量，使战斗更加精彩壮观、惊险刺激，为 GeForce RTX 游戏玩家带来前所未有的视觉体验。

光线追踪焦散
焦散可模拟逼真的特效，呈现光线被水、曲面和物体反射和折射的效果，在河床等场景附近的表面上营造出独特的光影。使用光线追踪技术，可以准确、逼真地重现特效，显著增强"黑神话：悟空 (Black Myth: Wukong)"的真实感和沉浸感。

光线追踪阴影
阴影是一个关键的视觉线索，光线追踪为环境带来了连续的轮廓、接触硬阴影、无锯齿和自阴影的高分辨率细节，使环境更加丰富。附近的物体投射出完整准确的阴影，即使是遥远的景观和嵌套结构的微小细节也能被描绘出来，呈现出更加令人满意的图像。下面的图片展示了远处高空物体投射出的更柔和、更真实的阴影。

若要体验上述功能，只需在游戏中开启“Full Ray Tracing (全景光线追踪) ”设置，然后将“Full Ray Tracing Level (全景光线追踪水平)”设置为“Very High"。

如果您正在为寻找能提供理想体验的设置组合而烦恼，可以下载NVIDIA app，它将于 8 月 20 日提供针对《黑神话：悟空》优化的游戏设置，只需点击一次，即可获得流畅的 60 FPS 画面。

通过 DLSS 3 加速游戏
在《黑神话：悟空》中，通过支持全景光线追踪技术并将每项设置设置为最大值，DLSS 3 可带来性能的成倍提升。这使得 GeForce RTX 4080 SUPER 的用户能够在《黑神话：悟空》的基准测试中达到每秒近 74 帧的帧率。此外，GeForce RTX 4070 Ti SUPER 的用户可以在每秒 66 帧的帧率下享受 4K 的乐趣。

在 2560x1440 分辨率下，更高的帧率可带来更多配置。GeForce RTX 4080 SUPER 超过 90 FPS，而 GeForce RTX 4070 Ti SUPER 超过 80 FPS，GeForce RTX 4070 SUPER 超过 70 FPS。广受欢迎的 GeForce RTX 4070 帧率超过 60 FPS，使许多用户能够在《黑神话：悟空》中体验全景光线追踪技术和出色的视觉效果中获得快速、流畅的游戏体验。

1920x1080 仍然是最受欢迎的游戏分辨率，几乎所有 GeForce RTX 40 系列 GPU 的帧率都超过 60 FPS 并支持全景光线追踪技术，同时借助 DLSS 3，所有其他选项都可以获得提升。

实时光线追踪技术的发展离不开硬件的支持。2018年，NVIDIA推出了首款支持实时光线追踪的消费级显卡RTX 2080 Ti和RTX 2080，这标志着实时光线追踪技术正式进入消费级市场。通过引入专用的光线追踪硬件加速单元（RT Core），这些显卡实现了光线追踪性能的巨大飞跃。

近年来，随着技术的不断进步，实时光线追踪技术已经得到了广泛的应用。目前，最新的RTX 30系列和RTX 40系列显卡在光线追踪性能方面有了更大的提升。同时，NVIDIA还推出了DLSS（深度学习超级采样）技术，通过AI计算来提升游戏性能，进一步优化了实时光线追踪技术的应用。

实时光线追踪技术的发展前景十分广阔。随着硬件性能的不断提升和算法的持续优化，我们有理由相信，未来的游戏中将会有更多令人惊叹的光线追踪效果。同时，实时光线追踪技术也有望应用于更多领域，如虚拟现实、建筑设计和电影制作等，为用户带来更加逼真的视觉体验。

然而，实时光线追踪技术目前仍面临一些挑战。例如，高性能的硬件需求和计算资源消耗是其广泛应用的主要障碍。此外，如何在保持画质的同时实现更高的帧率，也是开发者需要解决的问题。尽管如此，实时光线追踪技术无疑将为游戏产业带来深远的影响，为玩家开启一个更加真实、沉浸的游戏世界。