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极速鲨课堂72:光线追踪细分类 哪个没用?

【中关村在线】影驰RTX3080评测:光线追踪自RTX系列的显卡推出之后,一直是NVIDIA和各大媒体着重宣传的功能点,而对于大部分玩家来说,光追的效果似乎并没有那么大,对比也没有那么明显。本次笔者就以最新的国产游戏《光明记忆:无限》benchmark软件来带大家看一下各种光线追踪特效的详细效果。

另外光线追踪在我们的理解中大致只分为反射、阴影、环境光遮蔽这三种效果,但随着软件技术成熟以及硬件性能的突飞猛进,更加真实的光追特效被加入到了游戏中,下面我们来简单举例说明。

  1. 光追焦散(ray traced caustics)

  2. 光追折射(ray traced refractions)

  3. 光追反射(透明及不透明表面)(ray traced reflections on translucent & opaque surface)

  4. 光追阴影(ray traced shadows)

  5. 光追环境光遮蔽(ray traced ambient occlusion)

  6. 光追多层透明(ray traced order-independent transparency, OIT)

我们先来看一看每种光追效果在游戏中的应用是什么样子的,再将这些效果进行“难度”分类:

01 光追焦散

焦散效果是光线经光滑金属或透明物体表面反射/折射后,产生汇聚或发散,形成新的光源照亮周边的其他物体。

(本文所有图片均可放大查看)

玻璃产生焦散 (左)/无焦散 (右)

焦散是更为真实的光追效果,在上方的破碎玻璃中,由于光线照射到玻璃瓶,玻璃瓶产生焦散,可以让下方的水面产生投影。

玻璃碎片产生焦散 (左)/无焦散 (右)

图中展示的装甲表面为可反光金属材质,焦散现象表现为面罩及肩甲部位的其他物体投影,放大后面罩部位尤其明显。

焦散是指当光线穿过一个透明物体时,由于对象表面的不平整,使得光线折射并没有平行发生,出现漫折射,投影表面出现光子分散,俗称水光,波光粼粼的现象。

02 光追折射

同常见的反射效果相比,折射效果更加难以模拟,当光线经过透明物体时,会发生多次折射和全反射,因此需要进行多次光追才能得到完整的效果。

3 次折射(左)与 6 次折射(右)

上图中显示了玻璃瓶的折射效果:开启了3次光线反弹的折射无法表现透明玻璃的质感;反弹增加到6次后,可以观察到完整的折射效果。

03 光追反射

透明表面上的反射:在没有光追透明表面反射的情况下,大面积的玻璃难以找到合适的材质来表现。而在现实中,我们看到玻璃往往是因为有反射的存在。

玻璃窗上的透明反射

上图中可以看到光追反射在透明表面上的效果。光线的反射也是目前游戏中光追效果应用最多的现象,这种效果的反差对比强烈,也是最容易体现光线追踪的。

多次反射:在很多情况下,单次反射不能产生完整的效果,需要二次或者多次反射才能完成,常见于汽车反光镜,或者近距离的镜子中。

汽车后视镜上的单次反射(左)和多次反射(右)

如上图所示,将汽车的反光镜作为前景,一次反射为场景中角色画面,多次反射为车身反射环境光源,所以需要进行两次以上的光线追踪来完整的反射。

04 阴影与环境光遮蔽

加入光追后我们通常将阴影与环境光遮蔽一起讲,因为涉及到光追效果的半影通常也会加入环境光遮蔽效果。而光栅化的影子只能产生本影,并且还是凭借游戏开发人员的经验而定,真实性大打折扣。

光栅化清晰的本影(左)光追柔和的半影(右)

高精度的环境光遮蔽效果是人物渲染的重要组成部分,其实很多游戏即使角色建模再精致,但我们一眼就感觉违和,这就是因为光线与真实场景差别过大,导致角色太“出戏”。

环境光遮蔽效果:关闭(左)打开(右)

上图中展示了光追环境光遮蔽为皮肤渲染带来的柔和效果,角色脖子部位的光影采用了环境光遮蔽效果,让人物看起来更真实自然,趋近于现实中的光线效果。

05 光追多层透明

光追的多层透明效果在此前的游戏中并不常见,主要是因为该效果并不能很明显直观的展示出光线追踪多用于边角处,并且还耗费资源,简而言之就是区别不大。

光追多层透明

比如在角色后方车站的玻璃上,每一扇玻璃都是透明的,所以能叠加看到后面的景象。但其在游戏中的作用并不明显,所以也是使用较少的光追效果。

06 光追效果排名

下面我们来对这些光追效果进行归类总结,在目前的游戏中反射、阴影与环境光遮蔽是使用最多的,原因很简单,这几种光追效果最明显。

而光追折射由于适用范围小,效果没有直接反射来的明显,所以很少有游戏会采用折射。

光追焦散则适用范围更小,另外普遍使用焦散的画面区域并不会很大,只是细节部分的效果,如果不仔细看根本不会发现。所以增加该效果大部分时间只会给GPU徒增负担,故很少有游戏会使用。

光追多层透明效果与上一条相似,而且它还在焦散现象上要加一个更字,谁会在乎好几层玻璃后面的景色呢?

所以鉴于以上几种光追效果的总结,反射、阴影与环境光遮蔽是目前能明显感受到画面区别的效果。而折射、焦散、多层透明则属于锦上添花的功能,在20系显卡中增加它们只会让玩家怀疑自家显卡的性能,而在性能翻倍提升的30系显卡中,相信这几种效果会应用到更多游戏中,让更多玩家感受到趋近于真实光影的游戏。

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