Microsoft 於近日舉辦的 GDC 2018 會議當中宣布，將替自家多媒體與遊戲 DirectX 12 API 增加 Raytracing（DXR）選用功能集，提供統一的光追蹤技法介面，軟體開發人員只需要按照此 API 標準撰寫程式碼，便可在 AMD、NVIDIA 或是其它的繪圖顯示卡得到想要呈現的畫面，不必針對不同硬體著色器開發。
若要瞭解光追蹤的成像原理，我們先來理解目前絕大部分 3D 遊戲畫面是如何繪製的。由於即時遊戲畫面需要每秒提供 30 張～60 張以上的畫面更新速率，因而需要 1 種相當有效率且易於平行運算的作業方式，Rasterization 光柵化就是目前 3D 遊戲的基礎。
光柵化簡而言之就是把 3D 虛擬空間裡的所有物件，剃除視角以外的物件，也把被其它物件遮擋，物件背面部分全部刪除減少實際運算量（Z-buffer Culling），再壓縮至 1 張平面，而這平面就是你我所能看見的螢幕，接著再依據每個像素進行相關的貼圖、上色、打光作業。雖然這種方式能夠大量減少運算工作，同時產生不錯的畫面品質，卻也因為少了一些物件以及光線之間的交互作用，看起來與真實世界總有不小的差距。
之後加入許多增進畫面品質的運算技巧，譬如 Bump Mapping 凹圖貼圖、Normal Mapping 法線貼圖、Parallax Mapping 視差貼圖、Global Illumination 全域照明、Ambient Occlusion 環境遮蔽等，都是為了加強畫面的品質與真實性。
▲光柵化逐步剃除物件的步驟，由上而下分別為無剃除、剔除視錐以外物件、刪去視角以外部分、刪去背部看不見部分、刪去被其它物件遮蔽部分。
▲三角形光柵化的效果。
Raytracing 光追蹤則是模擬真實世界光線運作方式，包含光在物體表面的折射、散射、繞射，或是穿過物體的透射，同時考慮到光在各個物體之間的交互作用，也就是計算場景的光場，最終以平面方式呈現在螢幕。為了減少運算量，實際上運算步驟並不從光源開始，而是由攝影機視角反向射出數條虛擬光線，追蹤這些虛擬光線的路徑。
▲光追蹤可以計算物件與物件之間的光線交互作用。
因為內部原理與實際環境相當類似，光追蹤可以產生相當逼真的畫面效果，無需其它特殊的運算技巧。但是相對於光柵化還是需要相當大的運算資源，因此 3D 遊戲絕大部分依然選用光柵作為產生畫面的手段，光追蹤則是應用在動畫、電影特效等沒有時間限制的領域。部分遊戲貼圖材質也會先行以光追蹤技法處理，預先改變顏色後再貼上物件，產生較為逼真的結果。
DirectX 12 在此時加入 Raytracing（DXR）選用功能集，主要還是著眼於未來發展，DXR 採用 DirectCompute 實作，因此目前市面上支援 DirectX 12 的繪圖顯示卡都能夠支援。目前 NVIDIA 已經宣布未來 Volta 架構的顯示卡將以軟體（RTX）與硬體加速方式處理 DXR，先前的顯示卡世代則是採用純軟體方式；而 AMD 方面則是宣稱目前正與 Microsoft 合作，未來將推出支援的驅動程式版本，不確定是否包含硬體加速部分。
即便市場上這 2 家獨大的娛樂用顯示卡廠商推出硬體加速版本，光追蹤在幾年內依然不會替代傳統光柵化的畫面運算方式，由於運算量驚人，未來數年應該是以輔助角色登場，譬如先行以光柵產生基礎畫面，再以小範圍光追蹤結果替畫面加上光影效果。目前已有 Unreal Engine、Unity、Frostibite 等遊戲引擎，以及 EA、Remedy、4A Games 等遊戲廠商將加入這項功能，
▲光追蹤運算量相當龐大，讀者可以自行下載 CINEBENCH R15體驗看看就能理解。
資料來源
Announcing Microsoft DirectX Raytracing!