GTX10系列是如何實(shí)現(xiàn)光線追蹤的

GTX10系列是如何實(shí)現(xiàn)光線追蹤的就在剛剛，隨著新一輪驅(qū)動(dòng)更新，GeForceGTX10606GB以上的帕斯卡架構(gòu)顯卡正式加入光線追蹤技術(shù)陣營(yíng)。這意味著擁有GeForceGTX10606GB以上顯卡的小伙伴不用升級(jí)到GeForceRTX20系列顯卡，也可以開(kāi)啟一定的光線追蹤效果。但RTX20系列與GTX10系列之間在物理結(jié)構(gòu)上存在著巨大差距，其中之一便是采用圖靈架構(gòu)的RTX20系列顯卡擁有RTCore加速光線追蹤。那么GTX10系列是如何實(shí)現(xiàn)光線追蹤？能實(shí)現(xiàn)到什么程度？本文將會(huì)進(jìn)行解答。加了實(shí)時(shí)光線追蹤效果的《雷神之錘II》DXR的野望早在去年GDC游戲開(kāi)發(fā)者峰會(huì)上，微軟宣布將DirectXRaytracing融入DirectX12中，也就是我們常說(shuō)的DX12DXR。從那一刻開(kāi)始，光線追蹤從傳統(tǒng)的離線渲染轉(zhuǎn)入實(shí)時(shí)渲染變成了可能。如今微軟DirectXAPI遵循一套機(jī)制，就是將軟件、游戲?qū)用媾c硬件隔離，也就是說(shuō)游戲本身實(shí)際上不知道自己跑在什么硬件上，它們只需要遵守微軟DirectX的規(guī)則，就能調(diào)用新特效。這也是為什么新推出的3A大作通常只支持Windows10系統(tǒng)，很大原因在于DirectX12完全體僅能在Windows10上運(yùn)行。雖然近期微軟博客有放出風(fēng)聲會(huì)反向移植DX12到Windows7以支持《魔獸世界》更新，但僅是個(gè)例，不會(huì)影響主流3A游戲在Windows10上運(yùn)行的格局。游戲們不需要知道使用了什么硬件，那么任何顯卡支持光線追蹤在理論上都是有可能的。但當(dāng)視角換成硬件與DirectXAPI之間，卻沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。微軟DXR雖然沒(méi)有明確硬件應(yīng)該如何運(yùn)作，但指明了硬件應(yīng)該具備哪些特性，并允許廠商將函數(shù)功能以黑盒子硬件的方式實(shí)現(xiàn)，這套做法讓GPU廠商有了使用自己方式實(shí)現(xiàn)功能的可能性。在DXR下，光線追蹤提供了兩種執(zhí)行方案，分別是Compute-basePath和DXRAPIPath。顧名思義，Compute-basePath是在DXR框架下使用通用計(jì)算單元來(lái)進(jìn)行光線追蹤。GeForceGTX10系列就是利用這一套方式。另外一套執(zhí)行方案DXRAPIPath，則是使用DXR框架的硬件加速電路在GPU上執(zhí)行光線追蹤，在GeForceRTX20系列上，這套硬件加速電路就是RTCore。無(wú)論哪一套執(zhí)行方式，都會(huì)把光線追蹤拆分成三個(gè)動(dòng)作，分別是：射線的生成，找出射線與場(chǎng)景物體交匯點(diǎn)的求交測(cè)試，以及對(duì)交匯點(diǎn)進(jìn)行著色計(jì)算。其中，第二步求交測(cè)試是最耗時(shí)的操作，對(duì)于簡(jiǎn)單場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，75%的耗時(shí)都花費(fèi)在了光線和場(chǎng)景物體的求交計(jì)算上，在更復(fù)雜的場(chǎng)景中，這類操作的耗時(shí)會(huì)高達(dá)95%，求交計(jì)算的耗時(shí)與場(chǎng)景中涉及的物體數(shù)量直接相關(guān)。這套技術(shù)最終回歸到了玩家們都很清楚的道理：游戲場(chǎng)景越復(fù)雜，光線追蹤操作越多，幀數(shù)越低。因此如果要沒(méi)有RTCore加速的GeForceGTX10系列實(shí)現(xiàn)光線追蹤，靠著色器硬抗不會(huì)有好結(jié)果。這時(shí)候，一套光線追蹤的分類方案就此誕生了。光線追蹤的5套方案將光線追蹤實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分級(jí)其實(shí)不太確切，事實(shí)上在接下來(lái)提到的5套光線運(yùn)行模式中包含了對(duì)不同元素的取舍，并且可以相互疊加，最終實(shí)現(xiàn)不同效果的光線追蹤效果。反射Reflections通過(guò)實(shí)時(shí)光線追蹤完成對(duì)光源的單次反射，光線主要涉及到物體表面。全局BVH都會(huì)有所響應(yīng)，以換取較為逼真的光照效果。根據(jù)不同材質(zhì)，算法上也會(huì)進(jìn)行壓縮，以換取性能。多說(shuō)一句，BVH（BoundingVolumeHierarchy包圍盒層級(jí)）是實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)采用的加速結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的說(shuō)對(duì)物體進(jìn)行逐一分類，并不斷層層遞進(jìn)，最后具體到每一需要處理的三角形。其實(shí)在離線渲染時(shí)代，開(kāi)發(fā)者會(huì)建立一套鏡面模型，以實(shí)現(xiàn)單次反射效果，只不過(guò)相對(duì)實(shí)時(shí)光線追蹤會(huì)不太自然。二次反射AdvancedReflections真實(shí)世界中的自然光線是存在折射、反射和漫反射的。這也是實(shí)時(shí)光線追蹤要追求的真正效果。這是所有顯卡噩夢(mèng)的開(kāi)始，它不但包含全局BVH響應(yīng)，每一個(gè)三角形之間還會(huì)考慮到折射、反射的效果。從實(shí)際的游戲和Demo證明，如果沒(méi)有RTCore運(yùn)算，和TensorCore進(jìn)行DLSS加速，大多數(shù)顯卡流暢度難以得到保證。全局光照GlobalIllumination自然世界中，材質(zhì)不同所產(chǎn)生的反射，漫反射效果也不會(huì)只有一個(gè)方向。全局光照將會(huì)體現(xiàn)出一道光源照射到物體后反射、折射、焦散等自然光效。配合二次光效，就是大多數(shù)顯卡噩夢(mèng)中的噩夢(mèng)。陰影Shadows由于光線漫反射，陰影也不可能只有一種亮度，它會(huì)考慮到數(shù)個(gè)光源以及光源類別，執(zhí)行全局BVH。環(huán)境光遮蔽AmbientOcclusion實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)中的環(huán)境光遮蔽會(huì)考慮到數(shù)個(gè)光源，以及局部BVH，主要目的仍然是改善場(chǎng)景中物體漏光、陰影不切實(shí)際等效果，并使得畫面更有層次感。上述的5套方案之間可以單一選擇，也可以相互疊加，取決于游戲?qū)庠春吞匦У倪x擇方案，疊加越多，實(shí)現(xiàn)效果也解決自然。相反，屏蔽掉一定效果，讓GeForceGTX