实测展示RTX如何诠释游戏画面的未来

　　　现在距离NVIDIA GeForce RTX系列发布已经过去半年有余，市面上使用实时光线追踪技术的游戏逐渐多了起来。使用光线追踪的游戏极大程度提升了游戏光影水平，包括一些老游戏如《Quake II》使用第三方光追补丁后看上去完全变了样。这次我们来透过光线追踪技术预见未来游戏画面的发展趋势。
　　为了更好地让玩家体验到实时光线追踪的好处，NVIDIA于去年发布的基于Turing架构的GeForce RTX 20系列显卡独家搭载硬件光线追踪单元——RT Core，可以很好地应对光线追踪游戏的挑战。再加上为AI推理和深度学习设计的Tensor Core配合DLSS功能，可以在几乎不影响画面的前提下极大提升画面流畅度。
　　光线追踪带来多种新工作流
　　
　　基于物体的包围层次盒（BVH）将会决定游戏场景中哪些三角形会与光线交错。BVH是一种需要高运算能力的技术，最后使用降噪算法来处理最终画面出现的噪点，这样就可以使用更少的光线降低BVH的性能需求。
　　各项光线追踪技术浅析：
　　光纤追踪反射效果突破了传统屏幕空间的预渲染反射效果的局限性，可以真实表现光线在不同材质表面上的反射效果。由于反射效果是全局搜索的，所以其采样范围是整个游戏场景，相比基于光栅的预渲染，其反射的准确性和效果都更胜一筹。
　　

　　不同颜色代表不同材质的表面
　　光线追踪阴影基于光源种类和数量，在全局BVH下展现真实的阴影效果。
　　
　　光线追踪高级反射追加了光线反弹，可以展现不同物体之间光线的相互作用。
　

　　示意图，左为高级反射，右为基础反射

　　基于光线追踪的环境光遮蔽（AO）是描绘物体与物体接近时遮挡漫反射光线的效果，改善细节阴影，增加画面层次感，而AO效果的最终解即为全局光照。
　
　　基于光线追踪的实时全局光照可以在动态场景中描绘更真实的非直射光线，光线可以自然反弹，照亮周遭环境。而当场景变化时，光照效果也如现实中实时变化。
　　接下来我们通过以下游戏和软件实际体验光线追踪：
　　由于各软件使用的光追效果各有不同，下面我将他们逐一列出以供参考
　　《3DMark: Port Royal》 ：光线追踪高级反射（有反弹）及阴影
　　《战地V》            ：光线追踪反射（无反弹）
　　《地铁：离去》        ：光线追踪全局光照/光线追踪环境光遮蔽
　　《古墓丽影：暗影》    ：光线追踪阴影
　
　　测试全程关闭游戏模式和游戏栏，禁用全屏优化。
　　测试中使用了Intel Core i9-9900K和16GB高频内存以确保平台性能。显卡使用NVIDIA GeForce RTX 2080 Founder’s Edition，搭配的TU104核心使用台积电12nm FFN工艺制造，使用6组GPC，46个SM单元，总计2944 CUDA核心。拥有46个RT Core，368个Tensor Core，可提供8Grays/S的光线追踪性能。配备8GB 14Gbps GDDR6显存。
　　
　　3DMark Port Royal
　　首先是老牌测试软件3DMark，将会测试光线追踪项目，Port Royal。Port Royal默认使用2K分辨率测试，启用了光追高级反射和光追阴影效果，整体效果出众，对显卡的光追性能压榨充分。
　　
　　RTX 2080最终总分达到了6131，场景帧数为28.39fps。由于Port Royal可以自定义测试效果，所以我也将传统渲染，保留高级反射但关闭光追阴影和默认光追效果做了对比，共选取了两个场景。
　
　　可以看到差异最明显的是无反射情况，传统渲染方式虽然有一定反射，但由于是预渲染方式，反射的参考物体有限，可以看到地面的反光效果对比光追场景是缺失的。开启光追阴影后，整个场景将根据光源情况提供更真实的阴影。
　
　　传统渲染下，飞船表面虽然有一定镜面效果，但反射画面与周遭场景不匹配。开启光追后可以清晰地看见机坪地面和周围光带在机身上的倒影。而开启阴影后，飞船遮挡的部分阴影得以修复，光影效果更进一步。
　　战地V
　　下面是首款使用光追效果的3A游戏，《战地V》。《战地V》使用了光线追踪反射效果，在玻璃，金属漆面和水面反射上有良好的表现力。
　　参数设定：
　　
　　测试使用2K分辨率默认最高品质。测试中只对DXR与DLSS做调整，其他设置保持不变。
　　
　　由于《战地V》没有自带Benchmark，所以我使用的是单人模式非洲步兵下车后选取30秒的场景。因为NPC跑来跑去，加上对面的火箭炮等因素，场景会有些不同。
　　虽然传统模式平均帧数高达100以上，但也有极少数情况会跌至60以下。而开启DXR和DLSS后，整体帧数平稳在60帧左右，就算是1%和0.1%最低帧也在55帧上下。最低与最高帧差异小的优势是不会产生由于帧数大幅波动出现的小卡顿。在2K分辨率下开启DXR与DLSS，RTX 2080达到了流畅运行的标准。那么除了性能以外，画面如何呢？
　
　　使用对比gif
　　开启DXR以后最明显可见的是枪身的金属光泽，士兵在水面上的倒影更加自然。
　　地铁：离去：
　　《地铁：离去》使用了光线追踪全局光照和光线追踪环境光遮蔽，是目前光线追踪效果最佳的游戏之一。
　　参数设定：

　　使用2K分辨率极致质量，测试只改变光线追踪和DLSS，其余选项不变。在不使用光线追踪时，渲染倍率为100%。
　　测试结果：
　　
　　作为显卡杀手级游戏，即便在不使用RTX效果，在2K极致设定下，RTX 2080也无法舒服地跑上60帧。在开启RTX与DLSS后，整体性能与传统渲染模式差异较小，追求60帧建议适当降低部分设定。
　
　　虽然使用的是自带Benchmark，Benchmark希望使用大量的火焰制造的光源来展示全局光照效果。但火焰属于不可控力，所以画面会有一些差异。对比传统渲染可以看到右侧铁锅表面并没有火焰的反射效果，其预制渲染反射源只是我们看不见的室内的台灯。而开启RTX后整个锅都被火焰照亮，并且暗处细节表现力也得到了提升。
　　古墓丽影：暗影：
　　《古墓丽影：暗影》使用的是光线追踪阴影。因为《古墓丽影：暗影》有很多阴暗场景，基于光追的阴影特效会有很大加成。
　　参数设定：
　
　　测试全部使用2K分辨率，DX12全屏独占
　　开启光线追踪阴影时选择超高质量；关闭RTX DLSS时使用时间抗锯齿（TAA）；关闭光线追踪阴影时，阴影质量选择超高
　　测试结果：


　　在开启RTX+DLSS后，游戏平均帧数达到了60以上，可以流畅运行。在画面部分，开启光线追踪阴影后，左侧树干和气球的光影得到了优化。在传统渲染情况下错误的树干和气球以及下方手推车的阴影贴图在开启光追阴影后根据实际光源进行了修正。
　　总结：
　　光线追踪虽然不是新鲜事物，但对于游戏玩家而言还是比较陌生的。随着微软发布DXR，Vulkan API以及一些游戏引擎纷纷加入光线追踪来看，光线追踪在未来将有比较大的发展。就技术本身而言，光线追踪是革命性的，它完全改变了传统烘焙贴图的形式，有了光线追踪后，开发者的开发得到了简化，只需定义好物体材质，剩下的光线追踪都会帮忙搞定，而且效果更佳。
　　现在基于NVIDIA Turing架构的GeForce GTX 16系显卡及Pascal架构GeForce GTX 1060 6GB以上级别显卡得益于Game Ready驱动的优化更新，现在也可以体验入门级光线追踪，但由于缺少专用RT Core，即使是GeForce GTX 1080 Ti亦无法体验很好的光追效果，玩家想体验光线追踪游戏带来的电影级别游戏画面，建议选择GeForce RTX 20系列显卡。在不久的将来，还会有《原子之心》、《逆水寒》等游戏加入对光线追踪的支持，光线追踪游戏将更加丰富。