光線追蹤：解密遊戲畫面直逼電影的真實感，及其背後的巨大算力之謎
近年來，「光線追蹤」(Ray Tracing) 這個詞彙在遊戲和電腦圖形領域掀起了一場革命。從NVIDIA的RTX系列顯示卡到最新世代的遊戲主機，它已成為頂級視覺饗宴的代名詞。但光線追蹤究竟是什麼？它為何能賦予遊戲畫面前所未有的電影級質感，又為何需要如此驚人的運算能力來驅動？
什麼是光線追蹤？回到光線的物理本質
要理解光線追蹤，我們可以先回歸現實世界。我們之所以能看見物體，是因為光線從光源（如太陽或燈泡）發出，照射到物體上，經過反射、折射或吸收，最終進入我們的眼睛。光線追蹤正是一種試圖在虛擬世界中，忠實模擬這一物理過程的渲染技術。
傳統上，遊戲長期依賴一種稱為「光柵化」(Rasterization) 的技術。光柵化非常高效，它將3D世界的模型（由無數個三角形構成）轉換並「拍平」成螢幕上的2D像素。 然而，光柵化本身並不理解光的物理行為，對於陰影、反射等複雜光學效果，它只能依賴各種「障眼法」或近似技巧來模擬，這也是過去遊戲畫面看起來總有些「假」的原因。
光線追蹤則反其道而行。為了決定螢幕上某個像素的顏色，它會從虛擬攝影機（也就是玩家的視角）逆向射出一條光線，追蹤這條光線穿過該像素進入3D場景後的路徑。
- 如果光線直接打到光源，像素就會呈現光源的顏色。
- 如果光線打到一個物體，演算法會計算該點的材質、顏色，並為了模擬陰影，會再從該點向光源射出新的「陰影光線」，檢查路徑是否被其他物體阻擋。
- 如果物體表面是反射性的（如鏡子或水面），光線會依循物理定律反彈，繼續在場景中傳播，直到找到下一個物體或光源。
- 如果物體是透明的（如玻璃），光線則會折射並穿透，繼續它的旅程。
透過這種方式，光線追蹤能以符合物理現實的方式，自然而然地產生極其逼真的光影效果。
為何光線追蹤能帶來電影級質感？
電影特效行業早已廣泛使用光線追蹤技術來製作令人瞠目結舌的視覺效果，但由於其巨大的計算量，過去渲染一幀畫面可能需要數小時甚至數天。 如今，硬體的進步使其得以進入即時運算的遊戲領域，帶來了革命性的視覺提升，其「電影感」主要源於以下幾個方面：
- 真實而柔和的陰影： 在光柵化技術中，陰影通常是透過「陰影貼圖」(Shadow Mapping) 這種技巧生成的，常常會產生邊緣銳利、不自然的硬陰影，或是在移動時出現鋸齒和瑕疵。 光線追蹤則是透過實際計算光線是否被遮擋來確定陰影，能夠自然產生從清晰到模糊過渡的「柔和陰影」，完美重現物體與光源距離不同所造成的真實陰影變化。
- 精確無誤的反射與折射： 傳統遊戲對反射的處理充滿了妥協。例如，鏡面反射可能只對特定物體有效，或者採用「螢幕空間反射」(Screen Space Reflections) 技術，但它只能反射出畫面上已經可見的物體。 光線追蹤則沒有這些限制，它可以反射出視角外、背後的物體，甚至能呈現多重反射（鏡子中的鏡子）。同樣，光線穿過玻璃或水面時的折射效果也同樣基於物理，極其精確。
- 革命性的全域光照 (Global Illumination)： 現實世界中，光線並非直線傳播後就消失，而是會在物體表面之間無數次反彈，將光線和色彩傳遞到場景的每個角落，這就是「全域光照」。 這是光柵化最難以模擬的領域，開發者過去只能手動放置假光源或預先「烘焙」光照來模仿。光線追蹤則能真實模擬這種光線彈跳，讓沒有直接光源照射的角落也能被環境光自然照亮，產生豐富的色彩滲透（Color Bleeding）效果，使整個場景的光影層次感和真實感發生質的飛躍。
巨大算力需求的背後：一場計算的風暴
光線追蹤的驚人效果，代價就是天文數字般的計算量，這也是它直到近期才得以在遊戲中即時運行的原因。其巨大的算力消耗主要來自以下幾個環節：
- 海量的光線數量： 為了渲染一幀畫面，GPU必須為螢幕上的每一個像素都發射至少一條初始光線。以一個4K解析度（3840×2160）的螢幕為例，這意味著每一幀就需要發射超過800萬條光線。
- 複雜的相交測試： 對於每一條光線，GPU都必須判斷它是否與場景中數百萬個三角形中的任何一個相交。這是一個極其繁重的幾何運算過程。 為了優化這個過程，現代GPU會使用一種稱為「邊界體積層次結構」(Bounding Volume Hierarchy, BVH) 的加速結構，先將物體分裝在不同大小的虛擬「盒子」裡，快速排除掉光線不可能碰到的區域，但核心計算量依然龐大。
- 指數級增長的遞歸計算： 最恐怖的計算量來源於光線的「彈跳」。當一條光線擊中一個反射或半透明表面時，它會產生新的光線，這些新光線又需要進行同樣的相交測試。 為了實現真實的全域光照，一個像素點可能需要追蹤數十甚至數百條光線在場景中多次彈跳的路徑，導致計算量呈指數級增長。
- 專用硬體的誕生 (RT Core)： 傳統的GPU通用運算單元（CUDA Core）在處理這種高度專門化且重複的相交測試時效率不高。 這正是NVIDIA推出RTX系列顯示卡時引入「RT核心」(Ray Tracing Core) 的原因。RT核心是一種專用積體電路 (ASIC)，其硬體設計就是為了極速處理BVH遍歷和光線-三角形相交測試這兩項光線追蹤最耗時的工作。 透過將這些任務從通用核心中卸載，RT核心讓即時光線追蹤成為可能。
總結而言，光線追蹤技術透過回歸物理本質，為虛擬世界帶來了前所未有的真實感。它摒棄了傳統光柵化的近似與技巧，以硬核的物理模擬換取了足以媲美電影的視覺品質。而這一切的背後，是每一幀畫面中數以億計的光線路徑追蹤、複雜的幾何碰撞檢測和指數級增長的遞歸運算，構成了一場對GPU性能的極致考驗。正是專用硬體（如RT核心）的出現，才最終馴服了這頭算力巨獸，讓我們在遊戲中得以即時體驗這場令人讚嘆的視覺革命。