追光十二载——NVIDIA光线追踪技术杂谈

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自PC游戏进入3D时代以来，如何呈现光与影的变化，一直是游戏画面表现力提升的主要目标。而在早期，3D游戏只能依靠事先预设好的贴图或者光影特效以求"欺骗"玩家们的双眼，即便是后来加入了“动态光影”的引擎也只能做到在有限的范围内一定程度的模拟生成影像，比如说仅限于主要人物的身影和物品的阴影。目前来讲只有有两种方式能够在二维屏幕上实时绘制3D图像：传统的光栅化方式以及实时光线追踪。

谈到光影效果，2004年发售的《毁灭战士3》绝对称得上是一款里程碑式的游戏，其所搭载的id Tech 4引擎前所未有的首度实现了动态像素补光（Dynamic Per-pixel Lighting）技术，但也仅仅是让游戏中的阴影表现终于变得正常些。

随着时间的推移，更强的画面渲染技术被开发出来，游戏画面表现力与日俱增。但不论是十多年前的“动态像素补光”，还是如今玩家们都非常熟悉的环境光遮蔽技术，究其本质都是基于上世纪90年代初发明的3DS中的阴影系统来解决游戏中的实时渲染问题，也就是以光栅化为核心的算法。

这项技术的优势也非常明显：高效易用，因为只用占有极少的运算资源就可以实现对光影的实时运算，但缺点也非常明显——与现实相差甚远。

而区别于光栅化的另外一种方式就是对虚拟环境中的光线进行采样，然后实时模拟3D环境。就如同相机对真实世界中的光线进行采样，然后拍摄照片一样。这种以物理真实光线计算为核心的算法显然更能呈现接近现实世界的光影效果。光线追踪技术正是其中的代表。

很多著名的好莱坞大片都采用光线追踪技术制成，以假乱真的影像让所有观影者都惊叹不已，但在其背后是以亿为单位的庞大运算量，每一帧的画面都需要计算机长达数小时的运算。假如以每秒60帧的制式来算的话，生成一秒钟的电影级画面有可能需要大半个月的时间。要知道，这仅仅是在设计好一切之后的视觉运算。但不得不说电影工业确实是推动了计算机图形学的发展。

光线追踪算法应用于图片处理的方式虽然早在1968年就被提出，但直到三十多年后，首部采用光线追踪技术的电影才被拍摄出来。而“光线追踪”技术应用于游戏显然是比在电影中应用难得多的事情——虽然游戏画面精度不必像大银幕上呈现的影片那样高，但开发者们根本无法预见玩家们下一步迈出去会踩中哪片树叶。游戏的实时操作和自由选择决定了“光线追踪”必须以实时处理的方式进行，其难度也随之直线上升。尽管算法本身并不难，如何解决算法带来的巨大运算量才是其中的难点。

2018年8月20日，德国科隆游戏展的展前发布会上，NVIDIA CEO黄仁勋先生宣布正式推出基于Turing架构的GeForce RTX游戏显卡。发布会上NVIDIA还宣布各大游戏厂商将开始着手基于全新NVIDIA RTX平台开发以《战地V 》和《古墓丽影：暗影》为代表的热门大型游戏，计划将全新的实时光线追踪技术和AI功能引入游戏，便于游戏玩家在新显卡上线后第一时间体验与传统渲染效果不同的真实游戏环境。

这也就意味着具备全新光线追踪技术的RTX 20系游戏显卡标定了未来游戏行业的标准之一，届时采用NVIDIA Turing 架构的新显卡可对游戏中各类阴影、反射、折射和全局照明灯物体之间的物理属性进行精确把控，利用光影效果为玩家们营造出真实的游戏场景。

其实NVIDIA很早之前就已经宣布推出NVIDIA RTX技术了。这种为游戏开发者提供电影级画质实时渲染的技术最初是由包含在在Volta架构GPU(还记得那块两万多块钱的TTV吗？)上运行的光线追踪引擎引出的，只不过生不逢时，当时没啥能买得到的产品，也没啥玩的到的游戏，所以没引起啥大新闻。

【Windows10 1809版本已经宣布支持光线追踪技术】
这次发布的20系显卡所基于的Turning架构非常之多的特性其实都传承于Volta架构。而RT Core这一特殊单元的加入，让Turing架构的显卡也得以让实时光线追踪成为了可能，从而实现计算机图形学上的一大突破。

尽管我们不可否认光栅化在过去的成就，一直以较小的资源开销实现更逼真的光影场景效果，但事实上它还是有不小的局限性的，有时会在渲染时出现违反物理现象的画面。但实时光线追踪是基于物理上的一种密集渲染方式来还原，所以不会有很尴尬的情况出现。这就是为什么NVIDIA坚持让显卡加入RT Core从而实现更逼真的游戏场景。光栅化与实时光线追踪不是对立的，NVIDIA也认为两者结合是最好的，也就是混合渲染，光栅化用于普通、需要高效处理的场景中，而光线追踪用于最具视觉效果的地方，比方说水面反射、镜子反射、玻璃折射等。所以这次20系列显卡也引入了AI技术，从而也对计算资源的分配更加高效。

其实不能实现全光线追踪渲染的原因还是在于显卡核心的计算性能达不到要求。考虑到场景复杂程度、分辨率、最终效果，不能指望说每个像素都能投射出数百条光线进行渲染计算，算力完全跟不上，只能在次要景物上“偷工减料”，减少投射的光线数目，由于样本数目太少，可能会因为蒙特卡洛积分近似求解中样本数量不足，导致画面会有大量噪点。NVIDIA通过针对极低样本数量的光线追踪结果进行实时降噪的研究，在GameWorks SDK中一个光线追踪降噪模块，也就是Denoising算法。最终可以用比较低样本的光线追踪应用到实时渲染中，最终渲染质量可以媲美大样本下的光线追踪收敛图像。

而在没有RT Core帮助下，Pascal架构显卡也能实现光线追踪，但效率就是非常低，为什么呢？主要是因为BVH遍历的过程需要通过着色器操作来执行，并且每个光线投射需要数千个指令来计算BVH中的边界交叉点，直到最终击中三角形。假设一个像素点有100条光线，一条光线需要数以万计的指令来完成计算，处理速度跟不上就是硬伤了。但有了RT Core后就可以了，RT Core是专门为光线追踪计算服务的，实质上它是一条特异化的专用流水线，用于加速计算包围盒层级（BVH）遍历以及光线和三角求交。由于专项专用的ASIC都拥有非常高效的特性，不像CUDA这种通用单元，效率自然是有指数式递增。

之前也提到过的，实时光线追踪难度最大的地方就出在求交计算上，场景越复杂、物体数量越多，计算就越耗时间，要达到实时光线追踪，那就必须要得解决求交计算速度问题。高效的实时光线追踪实现主要是从BVH Traversal入手解决，BVH利用数据结构树形式对物体进行分门别类，不断细分。在计算时，光线会寻找被击中的第一个包围盒，再计算里面剩余包围盒，循环计算直到最终的唯一三角形，算法就可以大大减少计算每一条光线最近的交点所需要遍历的三角形的数量，而在一次渲染中这个预处理只需要进行一次就可以供所有光线使用。

       RT Core还是得配合GameWorks SDK的光线追踪降噪模块、RTX API等软件层面的协同工作。但是说到底，这些东西只要买一张RTX2080Ti就完事了。

根据NV官方的计算公式，RTX 2080 Ti单卡每秒钟可以追踪10G条光线以及78T的RTX-OPS；RTX 2080每秒可追踪的光线数量降低至8G条，RTX-OPS也降低至60T；RTX 2070每秒能追踪的光线只有6G条，45T RTX-OPS；而Pascal架构的大哥GTX 1080 Ti只能追踪1.1G条光线，RTX-OPS只有11.3T。如此看来，RT Core的计算性能简直爆炸！
实时光线追踪技术是 NVIDIA 在计算机图形和GPU架构领域经过10年努力所取得的成果。

随着 GPU 性能日益强悍，下一步理应是让更多人享受到光线追踪技术带来的好处。例如，借助光线追踪工具（如 Autodesk 的 Arnold、Chaos Group 的 V-Ray 或 Pixar 的 Renderman）和性能强悍的 GPU，产品设计师和建筑师能够使用光线追踪，在几秒内即可生成逼真的产品模型，以便他们更加有效地协作，并免去了成本不菲的原型设计环节。

视频游戏将成为此技术的下一个前沿阵地。NVIDIA 推出 的NVIDIA RTX技术可为游戏开发者提供电影级画质的实时渲染，而且省去了更多场景的人为干涉，换句话说只要有光，一切都变得简单了。当然，为帮助游戏开发者利用RTX技术，NVIDIA 还宣布 GameWorks SDK 将添加一个光线追踪降噪模块。更新版 GameWorks SDK 即将推出，其中就包含了光线追踪区域阴影和光线追踪光泽反射等技术支持。

所有这一切都有助于游戏开发者等将光线追踪技术应用到其工作中，模拟光线在真实世界里的效果，从而创建更真实的反射、阴影和折射。

有了光线追踪技术后，玩家在玩游戏时便能更轻易地享受到电影级画质、更佳的视觉效果及更真实的游戏体验。

最后再来说说这次的20系显卡，发布会全程几乎都没怎么谈到这次的性能提升，更多是谈及Turning架构的带来的新技术啥的。首发价格一如既往的高，RTX2080TiFE起步价9999，RTX2080FE起步价6499，RTX2070大概3999这样。不过比较有意思的是这次2080和2080Ti一起出来了，可能也是因为20系拖得太久了，AIC连非公也设计好一起赶上首发了。
简单聊聊目前的市场情况

作为20系的旗舰型号，RTX2080Ti货源还是非常紧俏的，尽管高端型号售价已然破万，但是依然阻挡不了发烧友们的购买欲。比如微星魔龙，预售价9998，现在已经炒到一万二了，有的商家手里有货，但是不单卖，要捆绑销售，属实无良，更贵的还有华硕猛禽，定价全凭信仰。不过还有很多非公的价格还不错，比如映众，七彩虹等的公版换散热的型号，基本就是换了个外壳而已，频率低一些但是问题不大，估计到双十一时候会缓解货源不足的情况。性能方面目前的绝对王者，毋庸置疑，吊锤前代无压力，比较有意思的是因为高端型号货源不足，早前预售入手的玩家还是赚的，就算你玩了一俩月原价都是能出的，属实早买早享受。

RTX2080首发时候的价格6499，很多非公的价格比FE版低也属实正常。比如影驰，映众，铭瑄，七彩虹等的部分型号，有的店家在首发时候就报出5800左右的价格了，而次旗舰型号相比于旗舰型号RTX2080Ti，相比于上代GTX1080Ti，性能方面自然没有绝对的优势，所以也面临一个比较尴尬的局面，因为其主要性能指标还没有多少游戏能体现出来，而且尽管光线追踪技术推出有一段时间了，但是开发程度并不高，更别提游戏厂商对其的应用程度了，所以玩家们很难接受这一貌似"挤牙膏"式的升级。因为前代10系对比9系的提升可以说是非常之大，所以在这代卡出来之前，玩家们也是各种预测，什么2070吊锤1080Ti啦，2080打TTxp啊之类的，目前来看2080出来之后和1080ti想必并没啥优势，游戏测试也只是在2K&4K分辨率情况下有些小优势，但是二者都能有很不错的体验。所以我当时就觉得RTX2080的首发价格其实有点虚高，发售一个月后也确实证明了我的想法，现在很多二线品牌的一些型号已经到达5500左右的低价。反正你要说值不得购买，这还是得见仁见智，有人觉得升级幅度不够大，还不如去买降价的1080Ti，这也没错，毕竟现在能体现20系卡的光线追踪优势的游戏比较少，对实际体验来说没啥参考，GTX1080Ti依旧能带来卓越的游戏体验。不过对于那些熬过矿潮的玩家，想必一定是等的很艰难吧，反正买了也不亏，RTX2080潜力还是很大的，但目前来说就当买个1080Ti吧！

最后是RTX2070。作为能体验光线追踪技术的小老弟，RTX2070售价相对它的两位大哥，价格上相对来说亲民一些。国内大概就是4000左右的价格，不过我们此时再回想一下前两代70卡的售价，GTX970起步价是2300左右，GTX1070起步价是3200左右，2070起步价3800。涨价的幅度还行，虽然还是有玩家会抱怨贵，70级卡再也回不去原来的那个价位了。而实际上性能递增其实也并不是和价格一定成正比的，就比如这代卡。RTX2070现已开售，看过性能评测后并没有很意外，目前来看传统游戏下的性能来说基本等于1.2倍的GTX1080，当然不排除后续驱动"优化"带来更好的性能提升。

不过看到前面2080和1080Ti基本打个平手还是能猜到2070了，这代卡并没有10系比9系提升那么大，一部分原因是来自AMD的竞争力不足，另外一方面我个人觉得主要还是还是Turning架构带来的新技术是新卖点，10系卡的性能对于大部分玩家来说其实就很不错了，20系卡要是再来个大提升，以及新技术加持，售价必然起飞，到时候玩家们又是一波吐槽，这对于NV来说其实有点进退两难的局面，有提升可以，但是太大就没必要了。所以老黄还是选择了小幅提升+新技术加持，就算是个过渡。但是换个角度看RTX2070目前的最低售价我看到的应该是微星的装甲师卖3799，不出意外应该依旧是公版换散热，但是这个级别的卡最贵可以卖到5999（华硕猛禽）都已经赶上RTX2080的价格了，我觉得完全没必要，再贵也就是个2070，在信仰和性能面前，我相信大多数人还是知道怎么选择的8.

本垃圾佬还在用GTX1080，刚上大学那年买的，显示器还在用着U2417H，1080P分辨率+60刷新率真心没换新卡的欲望。而这代卡的主要特点还是高分辨率下的性能表现非常让人惊喜，并且加上光线追踪，DLSS超级采样技术，NV还搞了个NGX，建立了基于GPU的深度神经网络，用AI来处理和加速游戏中的部分场景等等。NV此举也是对游戏开发提出了新的标准，更是为未来几年内业内发展指明了方向，因为实时渲染视频级别的三维图形是计算机图形领域的终极目标，与现在普遍使用的光栅化渲染技术相比，光线追踪普遍被视为视觉技术的未来方向。我寻思着还是挺好的，毕竟相比于过去数年来GPU的进步，总算是有了质的提升。     

可能现在很多人觉得这光线追踪有点鸡肋，犹如当年的PhysX物理加速。其实大家的担心是正常的，毕竟当时PhysX还需要另一张显卡辅助才能流畅运行，但随着显卡性能不断提高，单卡就能完成计算场景物体的物理碰撞已经成为常态。实时光线追踪也会走上这条路，现在20系只是第一代，游戏开发商目前肯定已经着手在光线追踪方面进行相应开发了，毕竟这种能增强游戏画面的事情对开发商来说也是件好事，更有助于开发者为游戏做出更好的视觉效果。所以，还是等待时间给出答案吧！

Turing显卡可以说是承载了NVIDIA多年来的梦想，将看似距离我们十分遥远的人工智能和计算机图形技术中的圣杯"光线追踪"带到了我们面前，带来更加真实的真正电影级图形和光影物理效果。而经过数年的努力，现在终于实现了，我相信再等到下一代30系时候，GPU的光线追踪性能将会进一步增长，实时光线追踪到那时或许就能全面普及了。而那时我们就可以真正谈谈"沉浸式"体验了。

我相信那一天已经离我们越来越近了...
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