实时光线追踪技术：发展近况与未来挑战

导语：最近阅读了SIGGRAPH 2019中 EA SEED团队带来的，关于实时光线追踪一篇很赞的技术分享[1]。 本文将以此为引子，对实时光线追踪技术的发展近况，当前业界面对的挑战，以及未来的研究方向进行一个盘点。 主要涉及的要点有： 一、实时光线追踪技术元年：2018年

　　最近阅读了SIGGRAPH 2019中 EA SEED团队带来的，关于实时光线追踪一篇很赞的技术分享[1]。

　　本文将以此为引子，对实时光线追踪技术的发展近况，当前业界面对的挑战，以及未来的研究方向进行一个盘点。

　　主要涉及的要点有：

　　一、实时光线追踪技术元年：2018年

　　二、实时光线追踪：当前业界产品应用情况

　　2.1 虚幻引擎：UE 4.22实时光线追踪特性正式面世

　　2.2 Unity引擎：Unity 2019.3正式支持实时光线追踪特性

　　2.3 3A游戏：部分产品已加入实时光线追踪技术

　　2.4 主机平台：Play Station 5和Xbox Scarlett都将支持实时光线追踪

　　三、实时光线追踪：当前业界技术发展近况盘点

　　3.1 实时光线追踪：混合渲染管线

　　3.2 实时光线追踪：反射渲染

　　3.3 实时光线追踪：环境光遮蔽

　　3.4 实时光线追踪：阴影渲染

　　3.4.1 解析直接光照+随机阴影

　　3.4.2 透明阴影渲染

　　3.5 实时光线追踪：透明渲染和半透明渲染

　　3.6 实时光线追踪：多光源处理

　　3.7 实时光线追踪：粒子系统渲染

　　3.8 实时光线追踪：全局光照

　　3.9 实时光线追踪：剔除

　　3.10 实时光线追踪：Texture LOD

　　四、实时光线追踪：业界当前面临的挑战

　　4.1 实时光线追踪处理透明渲染仍有不少问题需要攻克

　　4.2 对多变的游戏内容环境的更好兼容

　　4.3 实时光线追踪全局光照：广阔的空间等待探索

　　4.4 探索新的实时光线追踪形态

　　4.5 不断革新混合渲染管线的技术形态

　　4.6 未来光线追踪领域的研究方向

　　OK，下面开始正文。

　　壹 · 实时光线追踪技术元年：2018年

　　个人认为，可以将2018年定义为实时光线追踪技术元年。

　　这一年，秘密开发了多年的实时光线追踪技术终于在GDC 2018上揭开面纱，进入大众视野，并引起广泛轰动。

　　这一年，微软宣布了DirectX Ray Tracing，DXR的问世；NVIDIA、ILMxLAB、UE4联合发布了基于实时光线追踪的具有电影级视觉效果的《星球大战》短片；NVIDIA发布了RTX Technology Demo以及Project Sol Cinematic Demo Part 1；EA SEED团队带来了PICA PICA实时光线追踪Demo；Remedy的Northlight引擎也带来了Ray Tracing in North Light Demo；Futuremark团队也发布了非常赞的DirectX Raytracing Tech Demo。

　　也是这一年，NVIDIA宣布了可加速硬件中光线追踪速度的新架构Turing，以及搭载实时光线追踪技术的RTX系列显卡。

　　同样是这一年，第一款搭载RTX实时混合光线追踪技术的游戏《战地5（Battlefield V）》正式面世，基于EA的Frostbite引擎，带来了出色的混合光线追踪反射（Hybrid Ray-Traced Reflections）渲染表现。

　　时间来到2020年，自GDC 2018实时光线追踪技术正式面世以来已经经过了近两年时间，让我们看下当前实时光线追踪的业界产品应用情况。

　　贰 · 实时光线追踪：当前业界产品应用情况

　　2.1 虚幻引擎：UE 4.22实时光线追踪特性正式面世

　　自4.22版本以来，UE4的实时光线追踪功能已经正式面世。

　　UE4中的Ray Tracing技术目前有两种形态：

　　混合光线追踪模式（Hybrid Ray Tracer Mode），用于将光线追踪功能与现有的光栅化效果相结合，进行混合渲染。

　　路径追踪参考模式（Path Tracer Reference Mode），用于与Ground Truth进行比较。

　　UE4中的Ray Tracing的KeyFeature可以总结如下：

　　光线追踪阴影Ray Traced Shadows

　　光线追踪反射Ray Traced Reflections

　　光线追踪半透明渲染Ray Traced Translucency

　　光线追踪环境光遮蔽Ray Traced Ambient Occlusion

　　光线追踪全局光照 Ray Traced Global Illumination

　　这边放一个UE4、NVIDIA、保时捷合作的实时光线追踪保时捷911超跑概念车渲染视频“The Speed of Light”：

　　RTX 保时捷911超跑概念渲染视频：

　　2.2 Unity引擎：Unity 2019.3正式支持实时光线追踪特性

　　随后，Unity引擎也宣布对混合实时光线追踪（Hybrid Real-Time Ray Tracing）的支持，并在Unity 2019.3中正式发布。

　　Unity Ray Tracing的Key Feature可以总结为：

　　光线追踪环境光遮蔽 Ray-Traced Ambient Occlusion

　　光线追踪接触阴影 Ray-Traced Contact Shadows

　　光线追踪全局光照 Ray-Traced Global Illumination

　　光线追踪反射Ray-Traced Reflections

　　光线追踪阴影Ray-Traced Shadows

　　递归光线追踪Recursive Ray Tracing

　　Unity引擎2019年3月发布的《Reality vs illusion： Unity real-time ray tracing》Demo中，将CG汽车与现实世界的汽车同时放在画面中。对比起来，已经很难辨别CG和现实。

　　2.3 3A游戏：部分产品已加入实时光线追踪技术