十年前,光線追蹤本是Intel對付NVIDIA的黑科技;十年後卻在NVIDIA手裡發揚光大

十年前,光線追蹤本來是Intel對付NVIDIA的黑科技,結果不幸難產。十年後,光追終於應用到遊戲中,卻是在NVIDIA手裡發揚光大。好像完成了一個循環,但雙方的角色發生了對調。

當今遊戲界被炒得最熱的概念可能就是光線追蹤技術了,不僅僅是PC遊戲,就連次世代主機也把光線追蹤作為了主要亮點之一。

光線追蹤所展示出來的畫面效果也確實驚豔,讓人感嘆圖像技術又達到了一個新的高度。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

但是實際上,光線追蹤並不是一個新技術,即使在遊戲界也不是什麼新鮮事了。10年前,光線追蹤就是遊戲玩家茶餘飯後的話題, Intel、約翰‧科馬克等都曾試圖將這項技術引入遊戲中,並預言它將是遊戲的未來。而如今大力推廣光線追蹤的NVIDIA,本應是這項技術的第一個對付的商業競爭者。 

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2008年前後,Intel和NVIDIA兩家大廠對於電腦顯示卡的存在意義展開了激烈的對線。

由於《末日之戰》這樣畫面精細對性能要求極高的遊戲的出現,讓顯示卡成為了電腦中的重要零件。遊戲玩家願意花更多的錢買一個更好的顯示卡,而不是CPU,這對Intel是一個危險的訊號。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

當時的Intel在很多場合下表示,獨立顯示卡最終會被淘汰,未來的PC圖像處理會逐漸集成到CPU中,並認為自己的CPU可以提供更好的遊戲算繪。

Intel自信的來源,是他們認為找到了能擊潰NVIDIA,占領次世代遊戲的祕密武器——光線追蹤技術。

傳統的顯示卡使用光柵式算繪技術呈現3D圖像,這需要大量的手工設置,而且最終的結果只能在視覺上接近真實,但並不遵循物理規律。

光線追蹤技術則是模擬光線的傳播,電腦只算繪光線打到地方,因此僅需要很少的人工程式編輯,相比於光柵式算繪簡便了很多。同時光線追蹤也能表現出相當真實的畫面,尤其是符合物理規律的光影效果。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

光線追蹤技術需要大量的運算,因此更加適合CPU使用,這正是Intel需要的武器。 

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為了進一步在遊戲中推行光線追蹤,Intel在2007年招入了德國人Daniel Pohl。

Daniel Pohl 是愛爾朗根-紐倫堡大學的研究畢業生,在校期間他就一直在進行光線追蹤的研究。2004年,他將即時光線追蹤應用於《雷神之錘3》上。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

雖然開啟光線追蹤後,遊戲只能在512X512解析度下,勉強得到每秒20影格率的表現。但真實光影下呈現出的畫面,依然讓Daniel Pohl看到了圖像技術的未來。

他在碩士期間又把光線追蹤用在了更現代的《雷神之錘4》上。加入Intel後,Daniel Pohl 將自己的成果和Intel的CPU結合起來,成為了Intel光線追蹤技術的早期Demo。

光線追蹤下的《雷神之錘4》表現更加驚豔,光的反射、折射,陰影的投射,都如同現實中一樣,會根據場景變化即時作出真實的反映。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

然而Daniel Pohl 的Demo還不夠引起遊戲廠商的興趣。

按照業界的大咖,《毀滅戰士》的創造者,約翰‧卡馬克的說法,「他們沒能讓展示出光線追蹤的核心的價值。」

「我覺得Intel沒能給出足夠的吸引力,讓人覺得『哦,這比原來酷10倍,我現在就想買新主機』。」

「他們研究《雷神之錘》的代碼,去展示光線追蹤帶來的好處,證明它不是象牙塔裡的玩具。但他們是在用上個世代的技術,去向人們展示下個世代的遊戲畫面。」

光線追蹤往事:十年技術輪迴

光線追蹤加上上個技術的貼圖與建模水準,呈現出一種不協調的生硬感

雖然卡馬克表示自己不看好Intel的研究路線,但對光線追蹤他自己也十分感興趣。

當時他正在著手開發他的次世代遊戲引擎id Tech 6,而在他的宏偉計畫中,這款跨時代的引擎的一個特殊之處就是支持光線追蹤。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

但他更感興趣的是光線追蹤的演算法,他說利用這種技術可以來儲存大量的數據,這樣id Tech6不用幾十GB的巨量數據,就能產生近乎無窮的多邊形細節。 

「我覺得我至少能展示出一些在當前時代你沒見過的東西,甚至開發中的遊戲都沒有的東西。」 

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Daniel Pohl在Intel的研究不但展示了光線追蹤的好處,也暴露了它的問題:對電腦性能的極高需求。

如果要模擬漫反射或折射等光學的效果,需要計算大量的光線。而在動態時,由於空間構造和光影的即時改變,對運算速度的要求會更高。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

但Daniel Pohl 發現,多核心對於提高光線追蹤的效率有很大的幫助。如果想突破光線追蹤的瓶頸,他們需要更多的運算核心。

這也是Intel始終對光線追蹤技術充滿信心的原因之一,他們下一款產品,恰好符合這個需求。

2007年Intel宣佈將生產一款採用x86架構的多核心通用圖形處理器(GPGPU),代號Larrabee。與普通的顯示卡不同,Larrabee同時擁有CPU和GPU的特性,能提供較強的通用運算能力,同樣也可以進行圖形算繪。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

雖然Larrabee默認的圖像算繪模式依然使用光柵式,但多核心、可程式編輯的特性,讓它成為了當時理論上光線追蹤能力最強的顯示卡。很多人猜測在Larrabee的幫助下,未來的遊戲也許真的能有即時的光線追蹤。

2008年Intel展示了遊戲《深入敵境:雷神戰爭》在光線追蹤引擎中的運行效果。

與之前的Demo不同,《深入敵境:雷神戰爭》雷神戰爭當時才發售不久,就可以在720P下,以可接受的影格率開啟光線追蹤,這是一次新的突破。但這個演示最初並不是在PC上運行的,而是在一個裝有4顆至強處理器的伺服器上運行的。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

2009年,Intel把這段演示用Larrabee重新算繪了一遍,展示了船隻、天空在水面的逼真反射,時不時飛過的飛行器都在水面上真實的倒映了出來,讓人們對光線追蹤的未來充滿了無限的遐想。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

然而Larrabee的發佈並不順利。自從公佈後,它就一直處於跳票狀態,始終披著一層神祕的面紗。

Intel官方曾演示過超頻版的Larrabee達到了每秒1T FLOPS的浮點運算能力(作為對比,2013年底發售的初版PS4的浮點運算能力是1.84T),這依然達不到當時主流顯示卡的標準。

NVIDIACEO黃任勳更直言Larrabee只是空中樓閣:「它只是幻燈片,幻燈片上的產品都看上去很美。」 

2010Intel宣佈因為Larrabee的開發沒有達到預期,將不會推出商用版本。

但Larrabee的夭折,沒有停止Intel對光線追蹤的探索,他們又開了新的腦洞。

既然PC的機能有限,那麼就通過雲遊戲實現光線追蹤,用大型伺服器來算繪遊戲,然後把圖像傳輸到個人電腦上。

之後Intel演示了《德軍總部》的光線追蹤Demo,這個Demo運行在Knights Ferry伺服器平台上,然後把圖像透過GB網卡傳輸到筆記型電腦上。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

Intel還嘗試了透過手機、平板設備串流運行光線追蹤版《德軍總部》,雖然這個概念很有前瞻性,但在當時的條件下,雲端遊戲並不比本地光線追蹤實際多少。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

之後Daniel Pohl的研究逐漸進入瓶頸,在完成了《德軍總部》光線追蹤的相關研究後,他的工作逐漸開始向新興的VR領域轉移,也宣告了Intel光線追蹤夢到此告一段落。

也就在那段時間,卡馬克離開了id Software,也投身於VR技術的研究。留下了未完成的id tech 6引擎。

就這樣,光線追蹤成了Intel和卡馬克都沒能跨越的技術高峰,逐漸遠離了大眾的視野,等待下一個時間點的到來。 

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直到2018年,NVIDIA向全世界展示了RTX系列顯示卡,聯合微軟的DirectX光線追蹤API,再一次把光線追蹤技術介紹給遊戲玩家,並稱其將帶領PC遊戲進入黃金時代。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

卡馬克看到NVIDIA的光線追蹤後,在推特上留下這樣一句話:「暫時對於DX新的光線追蹤還沒有什麼評價,短期內可能也不會有,但是……哎呦。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

2019年,NVIDIA又聯合id Software展示了RTX光線追蹤如何讓老遊戲重獲新生,這次使用的遊戲恰恰就是當年Intel選擇的《雷神之錘》系列,不過是年代更早的《雷神之錘2》。在最新的光線追蹤技術下,這款遊戲呈現出了驚豔的畫面表現,也讓人們對光線追蹤有了全新的認識。

光線追蹤往事:十年技術輪迴

有趣的是,最近Intel也宣佈,將在2020年推出Xe獨立顯示卡,重回光線追蹤的世界。

十年之間好像完成了一個循環,但雙方的角色卻發生了對調。

在光線追蹤的競賽中,NVIDIA撿起了曾經砍向自己的劍,先行者Intel反而慢了半拍。

新技術的發展往往受到時間的制約,就像電動車、VR,其實都不是新的概念,但只有在特定時間點,那些「不切實際」的概念才真正得以推行。最終成功的人,往往是選擇了恰當時機,而曾經那些瘋狂想法的人們則隨著時間成了歷史。

但這些歷史同樣值得回味。因為人類登上月球的第一步,就開始於千百年前的某次仰望星空。

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