早在十多年前，业界基本就肯定了光线追踪这项技术对于3D图像质量的意义，但是到了2015年，也没有一款游戏真正使用了光线追踪。事实上，自21世纪以来，无数厂商包括英特尔、NVIDIA都在不同场合演示了游戏中使用光线追踪的效果，阿卡酋长自己也早在2008年上海IDF上，亲眼看到Quake3使用光线追踪后的演示。那么为何到了现在，光线追踪这个技术还是难以在游戏中普及呢？

 

光线追踪，另一个3D世界

可能很多人对光线追踪还没有一个明确的概念，不过毫无疑问的是，要实现最为逼真的3D图像，那么采用光线追踪技术是最好的方法。事实上，我们在很多电影中，特别是好莱坞大片中，明知道一些场景是电脑CG计算，却难以分辨真假，这里面很大的功劳就是光线追踪技术。最为直观的就是，使用光线追踪的场景，在玻璃材质、液体的渲染效果上远超目前效果最华丽的3D游戏。

NVIDIA曾经演示的使用光线追踪的DEMO，几可乱真……

 

那么什么是光线追踪呢？光线追踪技术是由几何光学通用技术衍生而来，它通过追踪光线与物体表面发生的交互作用，得到光线经过路径的模型。简单而言，3D技术里的光线追踪算法，就是先假设屏幕内的世界是真实的，而在这个“真实的世界里”，对所有存在的光源产生的光线进行追踪，真实地反映出各种物体的光线折射、反射，反映投射、衍射等光线真实表现效果，从而构建出寂静真实的3D画面。你可以直观地想象：为什么你看得出来某些画面是CG而不是真实的呢？因为它没能真实地反映画面里的物体表现的真实光线反应。如果水面、汽车表面的所有光线反应都被真实地表现出来了，那么这个画面基本就达到照片效果，可以以假乱真了。

当然，具体地实现原理肯定要复杂很多，这里我们就不解释了。

 

 

无限逼真，光线追踪的优势

或许有人会问了，那么我们现在大型3D游戏中的特效和渲染已经很出色了，和光线追踪相比有什么区别呢？简而言之，我们现在3D游戏中的构造基础是基于光栅化技术，光栅化的目的是找出一个几何单元所覆盖的像素，我们所有的图形信息，包括各种特效都可以说是光栅化的应用。

 

如果简单对比光栅化和光线追踪两种方案，两者之间最大的区别可以说是实现规则。光线追踪的技术原理完全符合真实物理规则，而光栅化的各种方式则基于事先计算和预设。在大多数游戏中，光源的反射都是由贴图技术来完成，普通的环境贴图只不过是对一张静态图片进行处理，通过预设的效果来欺骗玩家的眼睛。即使是很多3D游戏中使用的动态立体贴图，也不过是多了一道渲染的工序，只能在小范围内体现反射和光源效果，无法做到现实世界的多次反射和漫反射等效果。

HALO4的效果，看似华丽但完全不真实

事实上，我们在玩游戏或者看一些DEMO演示的时候，都会有这样的感觉，一些贴图技术一般的游戏，放大了就会出现光源反射的问题；即使是一些效果很出众的作品，看起来很真实，但是一些光源效果和反射违背物理规则，或者反射效果局限性很大，比如一些该反射的地方不反射。究其原因，还是因为这些渲染技术不是基于真实物理规则，而是人为计算和预设的。

水反射出了船只，但是船只却没有合理反射出水的光线交互效果

 

所以从画质而言，目前游戏所采用光栅化，是无法和光线追踪相比的，如果就游戏的渲染技术要达到光线追踪的效果，那么设计人员都要按照真实物理规则去计算场景的反射和折射效果，这种工作量几乎是不可能完成的，对开发者而言实在不科学。那么用光线追踪来实现各种游戏反射效果会如何呢？光线追踪技术可以用算法控制整个3D场景中的所有反射效果。在光线追踪计算中，所有的反射效果都能被计算在内，就连漫反射和多次反射都不会漏掉。这样在画质上，光线追踪就能轻易秒杀目前游戏所使用的渲染技术。

采用光线追踪，台球的反射完全符合真实物理规则

光线追踪的死穴：超高的性能需求

那么新的疑问又出现了，既然光线追踪这么牛X，为什么游戏中不采用呢？这个答案很简单，因为光线追踪的性能要求实在太变态了！

 

事实上别说光线追踪，就是我们游戏中的各种贴图效果，要达到比较真实的水准，都需要大量复杂的运算，需要消耗显卡很多资源，这也是为什么游戏效果越出色，越逼真，对显卡要求越高的原因。

 

而要实现光线追踪，需要更为惊人的计算量。根据Intel的说法，要用光线追踪渲染出达到现代游戏的画面质量，同时跑出可流畅运行的帧数，每秒需要计算大概10亿束光线。这个数字包括每帧每像素需要大概30束不同的光线，分别用来计算着色、光照跟其它各种特效，按照这个公式，在1024×768这样的入门级分辨率下，一共有786432个像素，乘以每像素30束光线以及每秒60帧，我们就需要每秒能运算141.5亿束光线的硬件，而Intel两个并行的四核处理器每秒也不过只能处理大约800万束的光线。

目前售价在2000美元以上的光线追踪卡

此外，现代的游戏处理贴图时，很多时候是把预设的数据寄存在显存中，在需要的时候在拿出来即可。但光线追踪不同，由于基本和真实物理规则相同，所以计算光线时，每条光线基本没有关联性，无法在实时渲染时预设，这就需要直接读取内存或者显存，这么大的计算量对内存/显存的位宽和延迟都提出了巨大的要求。即使到了2015年，显卡的显存延迟应付光线追踪依然不够用。

 

在我们看到的大多数光线追踪演示中，无论是Intel早期用Larrabee跑Quake3，还是NVIDIA自己用顶级显卡做的演示DEMO，场景都非常小，而且帧速都不高。如果应用在大型游戏中，现在的顶级PC恐怕要跑到5fps都很吃力。

 

观点

游戏实现光线追踪还需漫长等待

现在回到我们文章初始的疑问，光线追踪无法普及完全是因为性能要求过高的原因。一方面它的确拥有最为真实且令人震撼的画质表现，但另一方面它的计算量又的确让家用硬件难以负荷。实际上，前几年还有公司专门研发光线追踪卡，但是这么几年下来，性能虽然比处理器和GPU都强，但在性能和成本上还是难应用于民用市场。Intel之前曾希望用Larrabee来实现光线追踪，结果这货难产……至于民用显卡市场，新一代的堆叠式显存或许可以解决性能和延迟的问题，但GPU核心依然很难达到光线追踪的性能需求（其实差得还很远很远）。至少在目前，我们还看不到主流游戏布局光线追踪技术的可能，我们能做的也只有等待——而且，这一等待将会是很漫长的！