光线追踪和路径追踪是 2024 年游戏玩家和游戏开发者可以使用的两种最令人兴奋和要求最高的动态光照技术。它们都代表着相对于更传统的“烘焙”光照技术在真实感方面的巨大飞跃，甚至可以使旧游戏看起来更加逼真。比它们的块状纹理和几何图形更真实。
但如果光线追踪和路径追踪都能在游戏中生成更逼真的光照，哪个更好呢？它们之间到底有什么区别？以下是光线追踪和路径追踪的比较，以及为什么在未来几年您最喜欢的游戏中可能会更多地看到其中一种。
什么是光线追踪？
光线追踪是一种对场景中的光照进行建模的现实方法。它最初设想于 20 世纪 60 年代末，但由于计算要求极高，最近才被引入实时游戏中。
光线追踪的工作原理是通过玩家的视点将光线投射到场景中。每次光线与对象交互时，都会计算该对象对光线的影响，包括其颜色、透明度和方向。该光线在场景周围反弹时会继续被跟踪，直到与光源相交。该计算是针对场景中的每个像素进行的，从而实现了令人难以置信的逼真效果，但也对照明技术提出了极其苛刻的要求。
光线追踪已在电影 CGI 中使用多年，渲染单个帧通常需要数小时甚至数天的时间。然而，随着计算能力的提高，随着Nvidia的RTX显卡和AMD的RDNA GPU的推出，光线追踪加速器使游戏中的实时光线追踪成为可能。尽管在第一个版本中仅限于阴影和反射，但此后它已扩展到某些游戏中的全局照明。
什么是路径追踪？
路径追踪是一种对场景中的实时动态光照进行建模的更现代的方法。它于 20 世纪 80 年代中期开发，采用了不同的方法，从光源一次发出数百甚至数千条光线，然后在它们在场景周围随机反弹时对其进行跟踪。从表面上看，这要复杂得多，但最终结果是更容易渲染，因为它不是跟踪从像素到源的每条光线，而是仅根据光线最有可能采取的路径跟踪这些光线的样本。
它是光线追踪和 蒙特卡罗模拟的结合，让游戏或应用程序使用可管理数量的路径来跟踪光源。这允许以更少的开销实现类似光线追踪的照明效果，但可以说，同样重要的是，它允许基于系统的功能和所选设置的更大的粒度。更大的样本量意味着对 GPU 渲染场景的要求更高，而且细节也更多。较小的样本使路径追踪更易于管理，但会牺牲视觉质量。
然而，路径追踪的最终结果并不完美。它们与去噪算法相结合来清理生成的图像，结果令人印象深刻。
对于某些场景和某些物体，例如反射和折射物体（例如一杯水），需要调整路径追踪算法以避免较小样本中信息的过度丢失。对于这些对象，算法可能会简单地对其进行强力光线追踪，以保证准确性。
不过，每种情况的最终结果都是渲染的场景，看起来与光线追踪的场景一样真实，甚至更逼真，但开销可能要低得多，尤其是在更高的细节设置下。路径追踪也被认为对于光线充足的场景更有效，因为它有更多的数据要处理，而光线追踪在渲染具有大量阴影的场景时更有效，因为它知道光线将采取的真实路径。
路径追踪看起来比光线追踪更好吗？
光线追踪是一种用于实时照明建模的精确技术，因为它遵循光线在场景中传播的自然路径。然而，有效利用光线追踪所需的计算量是令人难以置信的。即使是具有所有硬件加速功能的现代硬件，在光线追踪严重的游戏中也会陷入困境。这就是为什么许多支持“光线追踪”的游戏实际上只对场景的某些部分使用光线追踪：通常是阴影或反射。
另一方面，路径追踪可以产生同样强大、甚至更好看的视觉效果，同时对渲染硬件的要求较低。这是迄今为止一些最令人印象深刻的“光线追踪”游戏中使用的模型，例如《Quake II RTX》 、 《Portal RTX》和《赛博朋克 2077》的 Overdrive 模式更新。它也被改装到《半条命 2》等老游戏中，效果非常好。
路径追踪提供了一种更好看、不太强烈的动态照明形式，总体而言，可以说是更好的解决方案。然而，光线追踪仍然有一席之地，即有限的路径追踪样本大小会导致视觉准确性问题。还有许多传统光栅化游戏的现代示例，其中光线追踪或路径追踪照明对体验的影响很小，同时完全降低了帧速率 – 例如《霍格沃茨遗产》 。
直到显卡变得足够强大，光线追踪或路径追踪像光栅化一样容易渲染之前，我们很可能会在未来的游戏中看到灯光效果的组合，因为每种技术都有它的位置。