自 Nvidia 于 2018 年推出 RTX 20 系列卡以来，游戏中的实时光线追踪一直掀起波澜。最初，这只是一个噱头，但逐渐演变成游戏玩家在他们最喜欢的游戏中不断寻找的功能。最近，路径追踪与光线追踪的争论一直在掀起波澜，前者展示了比后者更先进、更真实的视觉效果。再过几年，随着 GPU 的更新换代，路径追踪可能最终会成为主流。
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光栅化、光线追踪和路径追踪
让我们来分解一下路径追踪与路径追踪。光线追踪了解为什么游戏图形需要它们。
传统上，开发人员一直使用一种称为光栅化的技术来渲染游戏视觉效果。光栅化是将数学矢量形状转换为像素，以便可以在计算机显示器和其他基于像素的显示器上查看它们（与旧的 CRT 显示器不同）。
诚然，通过使用静态光源的“预渲染”照明，光栅化在近似真实世界的光行为方面非常有效。但是，随着对逼真游戏视觉效果的需求不断增长，以及为其提供支持的技术，实时光线追踪终于可供游戏玩家使用。
与光栅化不同，光线追踪尝试模拟游戏或应用程序每一帧中光线的真实行为。由于光线在与现实中的多个对象相互作用后可以反射、折射或被吸收，因此针对帧的每个像素计算相同的光线行为。这相当于计算一帧中数百万条模拟光线的行为。这就是光线追踪计算量如此之大的原因。
光线追踪本身并不是什么新鲜事。光线追踪技术于 1969 年开发，自 20 世纪 70 年代以来已被电影制片厂不同程度地使用。但好莱坞可以通过使用“渲染农场”来“预渲染”电影的每一帧，有时可能需要数周时间才能渲染单个光线追踪场景。
游戏中的实时光线追踪有所不同，因为它需要在动态变化的环境中为每一帧执行这种复杂的计算。这也是大多数光线追踪游戏的原因——即使使用硬件加速现代 GPU 的特点——仅将光线追踪的一两个元素与光栅化结合使用，例如光线追踪反射或阴影。
现在，我们来进行路径追踪。从本质上讲，路径追踪只是光线追踪的修改版本。路径追踪仅计算光线穿过场景时最有可能采取的路径，而不是追踪每条光线的路径（无论是初级光线还是反射（次级）光线）。
构想于 20 世纪 80 年代，路径追踪需要更复杂的数学，涉及每个像素的多条光线，但最终会降低渲染硬件（即 GPU）的开销。路径追踪是使用蒙特卡罗模拟的光线追踪的近似，概率模型有助于在精确预测极其困难的情况下预测最可能的结果。
光线追踪还有其他变体，例如光子映射（2001 年开发），这是一种两步全局照明技术。第一步使用整个场景的光线来创建包含颜色和照明数据的光子图，第二步使用预处理的光子图实时渲染场景。光子映射在技术上可以进一步减少渲染开销，但它相当复杂，并且当硬件功能较弱时容易出现一些伪影。
路径追踪看起来比光线追踪更好
如果路径追踪只是近似于光线追踪的效果，为什么它会更好呢？结果不是应该比光线追踪差吗？
不。路径追踪与光线追踪的争论有点微妙。路径追踪（有时称为全光线追踪）实际上已被证明可以在游戏中产生更真实的照明。最近的游戏喜欢赛博朋克2077和心灵杀手2展示了成熟的光线追踪（在路径追踪的帮助下）是什么样子。
路径追踪甚至已经在较旧的游戏中实现，例如《雷神之锤 2》、《传送门》、《上古卷轴 5：天际》， 和半衰期，将它们从过时的图形转变为技术演示。
由于路径追踪可以访问更大的数据样本，因此可以产生更真实的照明。与光线追踪不同，路径追踪为场景中的每个像素发射多条光线，并对其中的少数光线进行采样以获得最终输出。这使得算法得以实现——在去噪的帮助下，得益于Nvidia 的 DLSS– 产生更清晰的阴影、反射和全局照明。
GPU 上的路径追踪在技术上更容易
尽管路径追踪涉及更复杂的计算、去噪和人工智能技巧，但它最终在 GPU 上变得更容易——至少在理论上是这样。
使用路径追踪从头开始开发的游戏将从这种较小的开销中受益最多。这种情况并不常见。在原始版本发布多年后，路径追踪作为更新被引入到各种游戏中。
甚至心灵杀手2Nvidia 声称这是一款“完全光线追踪游戏”，但并未普遍使用路径追踪。这是不同的，因为即使没有它，它看起来也令人惊叹，成为其中之一PS5 上最好的游戏以及。
现在的情况是，即使使用最高端的 GPU，此类游戏也很难以可玩的帧速率运行。 Nvidia 的 RTX 40 系列需要使用一系列 AI 功能，以便以较低的分辨率渲染这些游戏，并对其进行升级以产生可接受的结果。
但是，再过几年，随着游戏中的人工智能彻底改变了游戏行业，在主流 GPU 上路径追踪的实现将变得更加容易。
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路径追踪并不是一项新技术
自 2000 年代以来，迪士尼和索尼等电影制片厂一直在使用路径追踪来渲染具有完整路径追踪的动画电影。这个理论自 20 世纪 80 年代以来一直很可靠，现在实时路径追踪已经出现在流行的、尽管过于沉重的游戏中，让人们亲眼目睹它发生在他们眼前。
路径追踪并不是一种全新的技术，需要很长时间才能渗透到更多的游戏和更便宜的硬件中。随着 Nvidia、AMD 和英特尔等公司竞相改进 GPU 并投资先进的人工智能算法，路径追踪只会在游戏和其他媒体中变得更加普遍。这迟早会发生。
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光线追踪、路径追踪和光栅化将协同工作
尽管路径追踪非常先进且令人印象深刻，但它仍然无法完美地完成所有事情。其最大的优点是可以访问更多数据，这也是其最大的缺点。
在可用数据较小的情况下（例如黑暗的地牢）或在反射和折射表面（例如水体或玻璃）的情况下，光线追踪仍然更优越。这就是为什么光线赛车不会随着游戏中路径追踪的出现而突然从场景中消失。
开发人员一如既往地可能会使用渲染技术的组合来在任何情况下生成最真实的场景。因此，光线追踪和路径追踪以及光栅化将在不久的将来共同为游戏提供动力。
每隔几年，一项新技术就会成为新闻，因为它有望使游戏比以往更加逼真。首先是着色器，然后是曲面细分，然后是光线追踪，现在是路径追踪。但是，这些技术也会对游戏性能造成巨大影响。如果您觉得您当前的电脑无法在游戏中利用这些新时代技术，您可能需要购买新的 GPU。我只希望，当我们等待未来完全路径追踪的游戏时，普通游戏玩家也能使用未来的 GPU。
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图片来源：带电路的现代 GPU 卡的特写视图通过存款照片
