一、前言：图形技术的革命性技术终于迎来第一款支持光线追踪的游戏

在GPU诞生之前，我们在电脑屏幕上所看到的游戏画面都是CPU运算出来，显卡那时候还叫做显示适配器，它的作用就是将CPU已经运算好的画面在屏幕上显示出来。

在1995年的某一天，有家名叫3dfx的公司发明了一张叫作voodoo的3D加速卡，它在画面色彩以及游戏帧率方面的表现令当时最顶级的Intel奔腾处理器望尘莫及。

voodoo的出现让大家知道了3D加速卡才是3D游戏的未来，此后数年独立显卡进入了黄金发展期，业内也涌现了一大批诸如Matrox、ATi 、NVIDIA，S3等优秀的图形芯片厂商，激烈的竞争使得显卡每隔半年就会升级换代一次。

1999年NVIDIA公司推出了第一张真正意义上的GPU（图形处理器）--Geforce 256，它集成的T&L技术（硬件光影转换），将光影处理从CPU中接手过来，解放了CPU的同时也极大的提高了游戏的性能以及画面的真实性。

T&L技术之后3D图形技术的另一次飞跃则是2006年的基于统一渲染构架的DX10。它将此前的Vertex Shader（顶点着色器）和Pixel Shader（像素着色器）统一为streaming processor（流处理器），自此之后设计的GPU都不会再开辟独立的管线，而是所有的流处理器运算单元都可以任意处理任何一种Shader运算，使得GPU的运算效率得到了成倍的提升。

尔后10年，GPU领域没有突破性的技术出现，DX12属于雷声大雨点小，对性能的提升并没有想象中的那么美好。直到2018年8月，NVIDIA图灵显卡的发布，为我们带来了一大堆前所未闻的新技术：在流处理器中加入了整数计算单元，将流处理器的效率提升了36%；深度计算单元（Tesen Core）的加入带来的DLSS技术让抗锯齿不再损耗GPU的性能；但最重要的则是实时光线追踪技术(ray tracing)。

传统的光栅化渲染是将一个3D图形的几何信息转变为一个个栅格组成的2D图像的过程，可以理解为在这个3D图形的每个点都包含有颜色、深度以及纹理数据，经过一系列计算变换后，将其转换为2D图像的像素，进而呈现在显示设备上。

这一过程也就构成了我们爱游戏中所看到的各类阴影效果以及光线投射，在这过程中所有的光影效果都是提前规划好的，如果开发者在设计时不那么严谨，就会在不应该有阴影的地方出现阴影。同时即便耗费巨大精力去提前设计好的所有阴影的可能情况，也只能做到无限接近于真实，况且这一点本身也很难做到。于是实时光线追踪(Real-Time Ray Tracing)便成为了玩家与游戏开发者最终极的选择与梦想。

然而非常尴尬的是，在RTX 2080/Ti发售之后的2个月的时间内，竟然一直都没有一款支持实时光线追踪的游戏出现，发布会上提到的支持光线追踪的大作要么跳票要么爽约，很多人认为RTX技术可能会成为第二个PhysX。

11月14号，我们终于等到了第一款支持光线追踪的游戏《战地5》，我们快科技也于第一时间拿到了游戏的CDKEY。原本在半个月前就要完成的评测，在过程中出现了一些预料外的情况，以至于直到现在才让读者见到这篇文章。

（题外话：Intel不甘心CPU在游戏中的地位被GPU取代，同时也想在GPU市场有所作为，于是在2008年开发出了一款采用了X86构架的Larrabee显卡，它集成了32块奔腾1代处理器，配合当时最先进的45nm制程工艺，频率可以达到2GHz，浮点性能一举达到了1TFLOPS，远超当时最强的GTX 280，不过随着ATI 推出HD5870，Larrabee的性能优势不再。 GPU领域每18个月性能翻倍，这显然不是Intel能够跟上的步伐，它习惯了每18个月性能提升10%。无法在显卡领域立足的Larrabee摇身一变，改名为Xeon Phi加速卡。目前最顶级的Xeon Phi加速卡产品达到了72核，售价则达到了10万元）

二、光线追踪画面对比：还原真实世界的光影效果

我们找了几处光线追踪效果比较明显的场景，在下面向玩家一一展示：

这是一处爆照场景，在光线追踪关闭的情况下，左图只能单纯的看到爆炸效果；在开启DXR之后，爆炸的火光映红了周围的空间。我们我可以看到机枪上被红色的火光所照亮、也可以看到水面所反射出来的火光。

这是城镇一处汽车玻璃上的反射对比图。在DXR关闭的情况下，建筑物在汽车玻璃里面的倒影非常模糊，同时光线量太少导致成像偏暗，另外还有一些错误的成像。右图打开光线追踪之后，天空以及建筑物在汽车玻璃内的成像非常清晰明亮，RTX 2080 Ti每秒100亿条光线的计算能力在这得到了很明显的体现。

这一出场景，左图出现了非常明显的逻辑性错误。高架桥的倒影没有出现在车窗中，反而被高架桥所挡住的屋顶竟然出现了。右图在打开光线追踪之后，一切恢复了正常。

这张图与第一张类似，左图在光线追踪关闭的情况下，画面里只有一个电线杆的影子。在DXR开启之后，冰冻的地面将附近哨塔里面的灯火完整的映射出来。

三、性能实测：开启DXR后游戏帧率腰斩

测试平台及说明

测试平台选用的处理器是i9-9900K(默频)，内存则是芝奇F4-3200 C14D 8GB共2条16GB，在BIOS打开XMP模式使之运行在3200MHz 14-14-14-34 CR2的频率与时序下。测试的显卡从GTX 1080到RTX 2080 Ti一共5款。

测试方法

在《战地5》中想要开启光线追踪特效，必须要满足以下条件：Win10更新到1809；拥有一张支持光线追踪的图灵RTX游戏显卡；下载版本号416.94或之后的显卡驱动。

以上条件都满足之后，在游戏的进阶影像设置中启用DX12，就会出现“启用DXR”的选项。DXR总共有4个调节档位，分别是“最高”、“高”、“中”以及“低”。在测试中“最高”、“高”、“中”此3个档位的帧率几乎相同，因此以下测试数据中不再显示DXR高特效的帧率。

由于《战地5》并没有提供测试程序，我们选择了单人模式“1942年：北非”关卡中的一个任务—潜入敌方基地作为测试场景。

这个场景光线充足，有大量的阴影以及倒影，加之环境变量较少，测试的成绩相对公平。

首先是1080P分辨率。在DXR关闭的情况下，所有的显卡帧率都超过了100FPS，RTX 2080 Ti更是达到了145FPS的帧率，在这个分辨率下，CPU依然是瓶颈。

在开启DXR之后，出现了一个很奇怪的现象。DXR共有四档，不过在最高、高、中这三档画质的测试中，帧率几乎都是一模一样，只有在DXR低特效的情况下，帧率才会有10FPS的提升。

具体来看，开启DXR之后，将DXR调到最高档时，帧率下降幅度超过了40%，RTX 2080 Ti从原来的144FPS降到了81，下跌了44%，RTX 2080则从原来的120FPS降到了71，跌幅41%；RTX 2070帧率从原来的111降到了59FPS，跌幅为47%。

将DXR调至最低档，三款光追显卡都是提升了10帧。

接下来是4K分辨下的测试成绩：

4K分辨率才能真正体现顶级显卡之间的性能差距。在DXR关闭的情况下，RTX 2080 Ti以83FPS的帧率独占鳌头，领先GTX 1080 Ti达到了40%。在此分辨率下，GTX 1080和RTX 2070均不能达到60FPS，GTX 1080 Ti和RTX 2080都是在60FPS附近徘徊。

在开启了DXR之后，将DXR调到最高档时,游戏帧率直接被腰斩了。RTX 2080 Ti的帧率从83变为42FPS，跌幅接近50%；RTX 2080的帧率了从64降到了33FPS，降幅49%；RTX 2070的帧率从52降到了27FPS，降幅48%。

将DXR调至最低档，，而且三款光追显卡帧率提升了8~10FPS，但即便是RTX 2080 Ti，其帧率也没能达到60FPS。

四、结语:光线追踪开启新革命 前景可期

20年前，显卡的图形性能非常有限，玩家看到的3D游戏画面满屏充斥着方块和马赛克，只有在过场CG动画中，才能看到赏心悦目的3D动画。想要让游戏的实时画面效果和CG动画一样，这在当时是想都不敢想的事情。在PS2将机能提升50倍之后，实时游戏画面慢慢的开始接近CG画面。而今，3A游戏的画面特效以及精细程度已经远远超过了20年前的CG动画。

同样的，当我们在IMAX影院沉醉于科幻大片所展现的绚丽的光影世界的时候，可曾想过3D游戏也能呈现这样的画面呢？

传统的光线追踪技术是以光源为起点定义光线，进而追踪由此产生的光线与物体表面以及光线与光线之间交互关系的过程。但该技术目前实现起来非常困难，因为这一技术需要无限多的光线照射在物体表面，通过反射、折射、漫射等途径进入最终的“摄像机”成像。这一过程需要耗费大量的算力且会有大量光线损失。

因此，即便拥有超级计算机算提供强大的算力，科幻大作的逼真光影特效也并非实时生成，它的每一秒、每一帧画面都需要耗费巨大的算力和漫长的时间才能制作完成。于是当人们最初在谈论实时光线追踪游戏时，曾断言20年内之内不可能实现。

然而没有什么是不可能的！从2008年开始，NVIDIA的工程师经过10年的研究，提出了一种新的Ray tracing理念，即是通过进入“摄像机”的光线，来回溯寻找光源。大部分从光源发出被折射或者漫反射不被玩家所看到的光线将不会被运算，这种思路将需要实时计算的光线数量降低了数十倍。这还不够，NVIDIA又在Turing游戏卡中加入了RT Core（光线追踪计算单元），RTX 2080 Ti只用了68个RT Cores就能提供十倍于4352个CUDA Cores的光线计算能力。通过这些努力，使得实时光线追踪技术至少提前十年成为现实。

术业有专攻，正如同GPU取代CPU来进行3D特效画面计算是必然，想要实现实时光线追踪，必须用RT Core来取代CUDA Core来进行光线计算。

回到《战地5》这个游戏。说实话，现在的光栅化渲染已经非常高级了，可以向大家展示逼真的光影特效，因此要在这个游戏中要找到有非常明显的光追效果的画面不是那么容易。在打开DXR之后，游戏的帧率出现了断崖式的下跌，在1080P分辨率下，三张图灵显卡基本上能保证60FPS的帧率。但是到了4K分辨率下，就算是RTX 2080 Ti，在开启光追之后，帧率也只有42FPS，游戏时的流畅度所有欠缺。

毕竟《战地5》是第一款光追游戏，略带有实验性质，它绝非光线追踪的最终模样。不过在游戏中我们也感受到了光栅化渲染的局限性，出现了非常多的不合理甚至是完全错误的阴影。在开启DXR效果之后，一切的光影都变得真实，并且出现了很多以前没有见过的反射、折射以及各种相互影响的光影特效。实时光线追踪技术继续发展下去，要呈现科幻电影般的光影世界已经是可以预期的事情。

目前实时光线追踪暂时的困境让人联想到了抗锯齿技术。早期的3D游戏画面满屏的狗牙让人难以忍受，抗锯齿技术最初是以超级采样的形式出现，虽然消灭了锯齿，但是游戏帧率却下跌了75%。随着硬件性能的不断发展，而今抗锯齿技术已经成为了3D游戏必不可少的画质选项。

在7nm、5nm、3nm制程工艺的成熟之后，光线追踪在帧率方面的问题最终会得到改善。对于开发者而言，合理的利用光线追踪技术也能大大降低游戏开发与设计的难度。最近微软也将光线追踪作为技术规范纳入到了最新版本的DirectX之中，AMD跟进也是迟早的事情。

相信光追必定不会是第二个Physx，因为玩家对于美好画面的追求永远都不会停止。