游戏资讯：光线追踪技术简介与应用
什么是光线追踪？
如果你一直关注新一代游戏主机的发布，你可能听说过“光线追踪”。
光线追踪是一种用于实现逼真图像的渲染技术，它通过模拟光的折射和反射来生成高质量的画面。换句话说，它让视频游戏中的光线行为像在现实生活中一样。该技术会模拟光线的轨迹，追踪光束在物理世界中的路径。虽然对硬件要求较高，但随着GPU性能的提升，光线追踪正逐渐成为现代游戏的标配，带来令人震撼的视觉效果。
光线追踪的挑战与改进
然而，光线追踪也存在一些缺点。如果开发者只依赖光线追踪，便需要投射大量光线以确保全局光照的高质量实现。考虑到游戏中环境高度互动，用最先进的高端GPU进行实时渲染仍然具有一定的计算压力。
为此，我们团队一直在研究一种结合了动态照明技术Enlighten和实时光线追踪的混合渲染方法，此创新方案旨在在保证画质的同时提升性能，并最大程度发挥光线追踪的效果。
开发中的项目与未来展望
这个项目仍在开发阶段，我们预期最终的成果会在性能和效果方面都实现大幅提升。我们已经用虚幻引擎4（Unreal Engine 4）构建了一个火车场地的演示场景（该技术也可以应用到其他引擎），场景中的光源仅包括一个定向光和一个天空光。
光线追踪反射与Enlighten动态照明
反射的基本原理
我们首先介绍利用Enlighten实现的光线追踪反射效果。反射通常分为两个部分：漫反射（Diffuse）和镜面反射（Specular/Reflection）。
漫反射是视角无关的，反映的光线不会随观察角度变化；任何角度观看都得到相同的效果。镜面反射则是视角相关的，反射方向会随着摄像机位置的不同而改变。本节的重点是镜面反射效果。
反射的实现方式
在游戏渲染中，最常用的是环境立方体贴图（称为“Reflection Capture”在UE4中），它模拟环境反射效果。另一种常用方法是屏幕空间反射（SSR），它能实现漂亮的反射效果，但依赖于反射在屏幕内是否可见，若反射在屏幕之外则容易产生伪影（Artefacts）。
而光线追踪技术则不同，它通过从表面发射反射光线，从而计算出反射的结果，场景中的每个反射点都能获得高精度的反射效果，不受SSR的限制，能呈现更真实、更完整的反射图像。
Enlighten的反射处理方案
目前，Enlighten采用实时更新环境立方体贴图的方法。当光线角度发生变化时，CPU会实时更新反映环境的立方体贴图（直接与间接光照），GPU只需采样这些贴图，整体性能影响较小，不会显著降低游戏帧率。
相比之下，完全使用光线追踪反射可以实现整个场景（包括屏幕外的对象）的实时更新，获得更高精度的反射效果，但会消耗大量计算资源。特别是对于高光反射（glossy reflections），需要发射多条光线甚至多次反弹，性能成本较高。因此，我们的目标是结合两者优势：在保持高质量反射的同时，通过动态切换实现性能优化。
Fallback（回退）机制与性能优化
为了应对性能压力，当反射表面的粗糙度（roughness）超过某个阈值，或者多次反弹导致性能瓶颈时，可以启用Enlighten的立方体贴图作为回退。有了这个机制，场景反射可以在高性能和高质量之间灵活切换。
上图显示启用Enlighten动态环境贴图后的反射效果，下图则是在引入回退机制后的效果。这种设计有效缓解了由关注光滑反射带来的噪点问题，同时兼顾性能表现，使得游戏体验更加平衡。
常见问答（FAQ）
Q: 光线追踪对硬件配置要求高吗？
A: 是的，光线追踪需要高性能GPU的支持，目前主流的高端显卡（如RTX系列）都已支持相关技术，但在低端硬件上可能无法实现平滑的性能体验。
Q: 未来光线追踪在游戏中的应用会越来越普及吗？
A: 随着硬件性能的提升和技术的成熟，光线追踪在游戏中的地位将会越来越明显，为玩家带来更加逼真、沉浸的视觉体验，这一趋势已逐渐显现。
最新游戏技术：光线追踪与光照优化
随着游戏画面对真实感的不断追求，光线追踪技术在增强场景光影效果方面发挥了巨大作用。本文将介绍最新的光线追踪技术应用，包括反射、环境光遮蔽（AO）、以及光源可视性检测等内容，帮助开发者实现更逼真的游戏画面。
反射效果演示
在中心球体中可以观察到镜面反射的效果。通过动态更新的间接光源，场景的反射更加真实自然。
视频观看：反射球演示视频
环境光遮蔽（AO）与光照映射
请注意右下角的轨道，它的粗糙度值被调整：上部纹理光滑，下部纹理粗糙。粗糙区域会回退至Enlighten的环境光映射（cubemaps），实现实时的无缝过渡。视频观看：环境光映射演示视频
性能比较与优化
在相同场景下，我们对比了加入Enlighten前后的性能表现。没有使用Enlighten时，光线追踪反射耗时约1.72毫秒，加入后仅增加到1.87毫秒，差异很小。通过“fallback到Enlighten”功能，随着最大粗糙度下降，性能得到了显著提升。
光线追踪中光源可视性（Enlighten Visibility）
在游戏运行时，引擎不仅需要提供光源信息，还需传递光源的阴影信息，即Enlighten的可视性数据。这些数据确保光线不会穿透遮挡物，从而避免光泄漏问题，提高间接光照的准确性。
为了收集这些可视性数据，Enlighten预定义了场景中的采样点（见右侧示意图）。传统的方法包括采样阴影贴图或光线追踪，而最新引入的硬件支持的光线追踪技术，则实现了基于光线追踪的Enlighten可视性采样。该方法从采样点发射光线到光源，遇到障碍物则将可视性设为零。即使光源位置变化或场景中有移动物体，效果都能实时更新。该技术支持所有类型的光源，且易于整合到支持光线追踪的游戏引擎中。
视频演示：光源可视性光线追踪演示
实时光线追踪中的间接光照变化
通过观察上方视频，可以看到屋顶天窗关闭后，间接光逐渐变暗。另在隧道中，随着直射光减少，内部的间接光也随之减弱，整体变得更加阴暗，显示出实时动态光照的效果。
性能方面，传输的光线类型仅限于阴影光线。光线数量由场景中的可动光源及采样点影响。在示例中只有一个定向光源影响整个场景，产生了大约40,000个采样点。使用GeForce RTX 2060显卡，处理时间约0.04毫秒，效率较高。
光线追踪的扩散（Diffuse）间接照明
除了反射效果， diffusely照明也是实现逼真场景的重要因素。以下为一个示意图，展示了聚光灯照亮天花板的部分，这是直接光。未被照亮的部分（问号区域）本应由间接光照亮，这正是Enlighten的优势所在。
Enlighten在预先计算阶段会生成静态物体（位置和形状固定的物体）的优化数据。在实际运行期间，利用这些数据结合引擎提供的直射光信息，模拟光的多次反弹，产生动态的间接照明效果。
最终效果如下：
视频观看：Enlighten间接光演示
实时更新的间接光：地平线和天空光
启用Enlighten后，来自方向光和天空光的间接光能实时更新。然而，场景中的移动物体（如蓝色列车）在预计算阶段未考虑动态变动，导致其反弹光无法实时渲染。这一点在实际场景中需要注意优化。
最终采样（Final Gather）
Final Gather技术会从某一采样点发射光线，整合光线的照明信息。由于只模拟一次反弹，通常会与其他全局照明技术结合使用，以增强光照的自然过渡与细节表现。
常见问答（FAQ）
Q: Enlighen光线追踪对硬件要求高吗？
A: 依赖于硬件的支持，目前支持硬件光线追踪的显卡（如NVIDIA RTX系列）可以有效实现实时光线追踪应用，提升性能表现。
Q: 采用Enlighten技术后，性能影响大吗？
A: 实验显示，加入Enlighten的额外成本较低，尤其是在优化采样点数量和利用硬件加速的情况下，能够在保证画面效果的同时基本保持流畅。
终极光照技术：Enlighten 与 UE4 Final Gather 的对比
在路径追踪中，一个关键步骤是通过像素发射光线，形成“Gather Point”。当光线击中某一区域，这会触发Gather Point的生成，随后从Gather Point向光源发射阴影光线。这一过程常被称为“下一事件估计”（Next Event Estimation）。相较于随机发射光线，它直接朝向光源进行转发，从而提高收敛速度。
Gather Points与间接光照
通过Gather Points，我们可以对屏幕像素进行采样聚合，得到间接光照的效果。例如，图中显示了光从可移动的物体反弹而来的效果。
Enlighten光照与UE4 Final Gather的对比
Enlighten支持无限弹跳，提供稳定的光照结果，且GPU负载较轻。然而，其细节受到光照贴图像素大小的限制，且无法对移动物体提供弹跳。而UE4的Final Gather则能实现优美的首次弹跳效果，并且支持移动物体的反弹，但仅限于第一次弹跳，且存在噪点。
两者的互补优势
如上所述，两者各有优势与限制。通过结合使用，可以同时获得Enlighten的无限弹跳和Final Gather的优异首次弹跳效果，还能实现对移动物体的光线弹跳。
实现方法：在Gather Point或屏幕像素加入Enlighten
可将Enlighten的结果添加到屏幕像素或Gather Point中。为了简便，我们选择在Gather Point加入Enlighten效果。这意味着Enlighten的结果会进行多一次弹跳，从而能反弹到移动对象，带来更明亮、更少噪点的光照效果。
实际效果对比
通过图像可以看到，加入Enlighten后，场景变得更加明亮，特别是在圈出的区域。右侧红色的砖块受到多次弹跳的光照影响，颜色变得更丰富，发光更加自然。可移动的火车也显示出多次弹跳的效果，使光线更真实。
效果与性能比较
左下角为路径追踪结果作参考。将其与UE4的Final Gather及加入Enlighten反射后的效果对比，二者结果非常接近路径追踪。同时，加入Enlighten反弹后，噪点明显减少。性能表现方面，单纯使用Final Gather的创建Gather Point路径约需3.06毫秒，加入Enlighten后略升至3.58毫秒，性能负担较为轻微。
未来发展方向
目前此技术仍在开发中，计划在Enlighten 3.12版本中引入支持光线追踪的可视性检测，以及结合光线追踪反射与Enlighten的早期访问版本。结合光线追踪的Final Gather与Enlighten的应用将作为实验功能推出。
更多信息与教程
关于Enlighten的详细信息，点击 这里。也可以在YouTube上查看最新的Enlighten教程视频，以了解更多实用技巧和演示内容。
