GTX10系列是如何實現光線追蹤的

就在剛剛，隨著新一輪驅動更新，GeForce GTX 1060 6GB以上的帕斯卡架構顯卡正式加入光線追蹤技術陣營。這意味著擁有GeForce GTX 1060 6GB以上顯卡的小伙伴不用升級到GeForce RTX 20系列顯卡，也可以開啟一定的光線追蹤效果。

但RTX 20系列與GTX 10系列之間在物理結構上存在著巨大差距，其中之一便是采用圖靈架構的RTX 20系列顯卡擁有RT Core加速光線追蹤。那么GTX 10系列是如何實現光線追蹤？能實現到什么程度？本文將會進行解答。

加了實時光線追蹤效果的《雷神之錘II》DXR的野望早在去年GDC游戲開發者峰會上，微軟宣布將DirectX Raytracing融入DirectX 12中，也就是我們常說的DX12 DXR。從那一刻開始，光線追蹤從傳統的離線渲染轉入實時渲染變成了可能。

如今微軟DirectX API遵循一套機制，就是將軟件、游戲層面與硬件隔離，也就是說游戲本身實際上不知道自己跑在什么硬件上，它們只需要遵守微軟DirectX的規則，就能調用新特效。這也是為什么新推出的3A大作通常只支持Windows 10系統，很大原因在于DirectX 12完全體僅能在Windows 10上運行。雖然近期微軟博客有放出風聲會反向移植DX12到Windows 7以支持《魔獸世界》更新，但僅是個例，不會影響主流3A游戲在Windows 10上運行的格局。

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。但當視角換成硬件與DirectX API之間，卻沒有這么簡單。微軟DXR雖然沒有明確硬件應該如何運作，但指明了硬件應該具備哪些特性，并允許廠商將函數功能以黑盒子硬件的方式實現，這套做法讓GPU廠商有了使用自己方式實現功能的可能性。

在DXR下，光線追蹤提供了兩種執行方案，分別是Compute-base Path和DXR API Path。顧名思義，Compute-base Path是在DXR框架下使用通用計算單元來進行光線追蹤。GeForce GTX 10系列就是利用這一套方式。

另外一套執行方案DXR API Path，則是使用DXR框架的硬件加速電路在GPU上執行光線追蹤，在GeForce RTX 20系列上，這套硬件加速電路就是RT Core。

無論哪一套執行方式，都會把光線追蹤拆分成三個動作，分別是：射線的生成，找出射線與場景物體交匯點的求交測試，以及對交匯點進行著色計算。其中，第二步求交測試是最耗時的操作，對于簡單場景來說，75%的耗時都花費在了光線和場景物體的求交計算上，在更復雜的場景中，這類操作的耗時會高達95%，求交計算的耗時與場景中涉及的物體數量直接相關。

這套技術最終回歸到了玩家們都很清楚的道理：游戲場景越復雜，光線追蹤操作越多，幀數越低。

因此如果要沒有RT Core加速的GeForce GTX 10系列實現光線追蹤，靠著色器硬抗不會有好結果。這時候，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現質量分級其實不太確切，事實上在接下來提到的5套光線運行模式中包含了對不同元素的取舍，并且可以相互疊加，最終實現不同效果的光線追蹤效果。

反射Reflections

通過實時光線追蹤完成對光源的單次反射，光線主要涉及到物體表面。全局BVH都會有所響應，以換取較為逼真的光照效果。根據不同材質，算法上也會進行壓縮，以換取性能。

多說一句，BVH（Bounding Volume Hierarchy包圍盒層級）是實時光線追蹤技術采用的加速結構，簡單的說對物體進行逐一分類，并不斷層層遞進，最后具體到每一需要處理的三角形。

其實在離線渲染時代，開發者會建立一套鏡面模型，以實現單次反射效果，只不過相對實時光線追蹤會不太自然。

二次反射Advanced Reflections

真實世界中的自然光線是存在折射、反射和漫反射的。這也是實時光線追蹤要追求的真正效果。這是所有顯卡噩夢的開始，它不但包含全局BVH響應，每一個三角形之間還會考慮到折射、反射的效果。

從實際的游戲和Demo證明，如果沒有RT Core運算，和Tensor Core進行DLSS加速，大多數顯卡流暢度難以得到保證。

全局光照Global Illumination

自然世界中，材質不同所產生的反射，漫反射效果也不會只有一個方向。全局光照將會體現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，就是大多數顯卡噩夢中的噩夢。