- 什么是光线追踪？
- 为什么需要光线追踪？（传统光栅化的局限）
- 英伟达是如何实现光追的？（核心：RT Core）
- 光追带来了什么？（革命性的视觉效果）
- 光追的挑战与现状
- 未来展望
什么是光线追踪？
光线追踪是一种更高级、更逼真的3D渲染技术，它的核心思想是模拟真实世界中光的物理行为。
-
传统渲染（光栅化）： 像画画一样，计算机知道3D模型的位置，然后从“虚拟相机”的位置向屏幕上的每一个像素点投射一条光线，这条光线会穿过3D场景，碰到第一个物体，然后这个物体是什么颜色，屏幕上对应的像素就是什么颜色，这个过程非常快，但很“傻瓜”，它只关心“我看到了什么”，不关心“光是怎么来的”。
-
光线追踪： 像摄影或导演构思一个镜头，它从光源出发，追踪光线的“旅程”：
- 光从光源（如灯泡、太阳）发射出来。
- 光线在场景中四处反弹、散射。
- 一些光线会直接进入相机,形成画面。
- 一些光线会照射到物体表面,然后被反射到其他物体上，甚至再反射到相机里。
- 一些光线会被物体吸收,形成阴影。
通过追踪这些从光源到相机（或反之）的光线路径，计算机可以精确计算出：
- 阴影： 因为有些光线被物体挡住了。
- 反射： 因为光线撞到镜子或光滑表面后改变了方向。
- 折射： 因为光线穿过透明物体（如玻璃、水）时发生了弯曲。
- 全局光照： 这是光追最强大的地方，它能模拟光线在环境中的多次反弹，创造出极其柔和、真实的光影效果，让整个场景看起来像一个整体，而不是一堆孤立的物体。
一句话总结：光栅化是“我能看到什么？”，光线追踪是“光是怎么到达我眼前的？”
为什么需要光线追踪？（传统光栅化的局限）
在光追出现之前,游戏和实时应用都使用光栅化，它速度快，足以实现60FPS甚至更高的流畅画面，但它模拟真实光影的能力非常有限，很多效果都需要“作弊”来实现：
- 阴影： 通常是“阴影贴图”，容易出现锯齿、伪影，并且无法处理复杂的多层阴影。
- 反射： 通常是“屏幕空间反射”（SSR），只能在屏幕上已有的信息里“反向”计算，无法反射屏幕外或被遮挡的物体。
- 光照： 光照是预先计算好的或简化过的，缺乏真实感，物体看起来像是“贴”上去的，与环境融合度不高。
这些“假”效果在静态画面下或许能接受，但在高速运动和复杂场景中，破绽非常明显，光追就是为了从根本上解决这些问题而生。
英伟达是如何实现光追的？（核心：RT Core）
光追的计算量极其巨大,在CPU上实时计算是不可能的，这就是为什么在很长一段时间里，它只存在于离线渲染的电影特效中。
英伟达的突破在于硬件加速，他们为新一代的GPU（图灵架构及之后）设计了专门的硬件单元——RT Core（光线追踪核心）。
RT Core 的工作流程可以简化为三步：
-
Bounding Volume Hierarchies (BVH) - 边界层次结构：
- 为了高效地在复杂的3D场景中寻找光线与物体的交点,GPU会预先将所有物体组织成一个“树状”结构，也就是BVH。
- 每个节点都包含一个能“框住”其下所有物体的边界框（如球体或长方体）。
- 当光线射入时,GPU不需要检查场景中的每一个物体，而是沿着这棵树快速“排除”掉不可能与光线相交的大片区域，极大地减少了需要精确计算相交的物体数量，这是光追性能的关键。
-
Ray Triangle Intersection - 光线与三角形求交：
- 当BVH缩小到可能相交的少数几个物体后,RT Core会进行最耗时的计算：精确判断光线是否与构成这些物体的三角形网格相交，以及交点的位置。
- RT Core专用硬件可以在一个时钟周期内并行处理多个求交计算，这是普通GPU核心难以企及的效率。
-
Shading - 着色：
- 一旦找到了交点,GPU的着色器核心就会接管工作，根据材质、纹理、光照信息计算这个像素点的最终颜色，如果需要计算反射或折射，就会再次触发RT Core进行新一轮的光线追踪。
简单比喻： 想象一下在漆黑的房间里用激光笔找东西。
- 没有RT Core的CPU： 你只能用手慢慢地、一个一个地去摸遍房间里的所有东西，效率极低。
- 有RT Core的GPU： 你先快速地扔出一大堆网球（BVH快速排除），听到响声的地方才用手去精确摸索（RT Core求交），最后看清摸到的是什么（着色器核心计算颜色）。
光追带来了什么？（革命性的视觉效果）
光追技术的应用,让游戏画面的真实感达到了前所未有的高度。
-
真实阴影：
- 软阴影： 光源不是点光源时，阴影边缘会有自然的虚化。
- 半影： 物体靠近阴影边界时，会接收来自光源不同部分的光，形成半明半暗的区域。
- 动态全局阴影： 所有物体都能在彼此身上投下准确、复杂的阴影，不再局限于地面。
-
精确反射：
- 反射出屏幕外的物体： 比如你看着一面镜子，镜子能反射出你身后的场景，甚至是另一面镜子反射的无限镜像。
- 反射凹凸不平的表面： 如水面、金属拉丝表面，反射效果会根据表面细节产生扭曲和变化。
-
逼真的折射和透明效果：
- 光线穿过玻璃杯时,会发生弯曲，看到的物体会产生轻微的形变。
- 透明物体（如冰块、宝石）能清晰地折射出背后的场景。
-
全局光照：
这是光追的“灵魂”，它能让光照在场景中自然地“流动”，阳光照亮一面白墙，白墙再将光线反射到旁边的角色脸上，角色的脸部会呈现出微弱的、与环境融为一体的暖色调，而不是简单的“脸上有光”，这极大地增强了场景的氛围感和真实感。
光追的挑战与现状
尽管光追效果惊人,但它也有明显的缺点：
- 性能开销巨大： 追踪光线的计算量远大于传统的光栅化，在开启4K分辨率+最高画质+全光追的情况下，即使是顶级的RTX 4090显卡，也可能只能跑到30-40FPS。
- 对硬件要求高： 必须使用支持RT Core的RTX系列显卡（从RTX 20系列开始）。
- 游戏支持： 需要游戏开发者专门为其开发光追支持。
现状：混合渲染模式
为了平衡画质和性能,目前主流的做法是混合渲染：
- 光栅化为主： 先用光栅化快速渲染出整个画面的基础内容。
- 光追为辅： 只对特定效果（如阴影、反射、光照）开启光追进行增强。
- AI技术（DLSS）来“救场”： 这也是英伟达的另一大杀器。DLSS（深度学习超级采样）通过AI算法，可以在较低分辨率进行渲染，然后智能地“放大”到目标分辨率，同时利用光追信息进行细节修复，这不仅能大幅提升帧率，还能在一定程度上弥补光追带来的画质损失，实现“鱼与熊掌兼得”。
几乎所有3A大作都支持光追,并且会与DLSS深度绑定，以提供最佳的游戏体验。
未来展望
光追技术仍在快速发展：
- 性能持续优化： 新一代的RT Core（如Ada Lovelace架构）效率更高，能以更小的性能开销实现同样的光追效果。
- 路径追踪： 这是光追的终极形态，它能模拟光线的完整路径（包括散射、次表面散射等），实现照片级的真实感，赛博朋克2077》的“过载模式”已经展示了路径追踪的惊人潜力，但性能要求极高，是未来的发展方向。
- 应用领域扩展： 除了游戏，光追在建筑可视化、工业设计、自动驾驶模拟等领域也越来越重要，因为它能提供最直观、最准确的物理模拟。
英伟达的光线追踪技术是一项划时代的创新,它通过硬件加速，将过去只在电影中才能看到的照片级真实光影效果带入了实时交互的领域，虽然它带来了巨大的性能挑战，但通过与DLSS等技术的结合，正在逐步成为PC游戏和图形创作的新标准，引领着整个行业向着更真实、更沉浸的未来迈进。
