什麼叫畫素著色器
一、前言：圖形技術的革命性技術終於迎來第一款支援光線追蹤的遊戲
在GPU誕生之前，我們在電腦螢幕上所看到的遊戲畫面都是CPU運算出來，顯示卡那時候還叫做顯示介面卡，它的作用就是將CPU已經運算好的畫面在螢幕上顯示出來。
在1995年的某一天，有家名叫3dfx的公司發明了一張叫作voodoo的3D加速卡，它在畫面色彩以及遊戲幀率方面的表現令當時最頂級的Intel奔騰處理器望塵莫及。
voodoo的出現讓大家知道了3D加速卡才是3D遊戲的未來，此後數年獨立顯示卡進入了黃金髮展期，業內也湧現了一大批諸如Matrox、ATi 、NVIDIA，S3等優秀的圖形晶片廠商，激烈的競爭使得顯示卡每隔半年就會升級換代一次。
1999年NVIDIA公司推出了第一張真正意義上的GPU（圖形處理器）——Geforce 256，它整合的T&L技術（硬體光影轉換），將光影處理從CPU中接手過來，解放了CPU的同時也極大的提高了遊戲的效能以及畫面的真實性。
T&L技術之後3D圖形技術的另一次飛躍則是2006年的基於統一渲染構架的DX10。它將此前的Vertex Shader（頂點著色器）和Pixel Shader（畫素著色器）統一為streaming processor（流處理器），自此之後設計的GPU都不會再開闢獨立的管線，而是所有的流處理器運算單元都可以任意處理任何一種Shader運算，使得GPU的運算效率得到了成倍的提升。
爾後10年，GPU領域沒有突破性的技術出現，DX12屬於雷聲大雨點小，對效能的提升並沒有想象中的那麼美好。直到2018年8月，NVIDIA圖靈顯示卡的釋出，為我們帶來了一大堆前所未聞的新技術：在流處理器中加入了整數計算單元，將流處理器的效率提升了36%；深度計算單元（Tesen Core）的加入帶來的DLSS技術讓抗鋸齒不再損耗GPU的效能；但最重要的則是實時光線追蹤技術（ray tracing）。
傳統的光柵化渲染是將一個3D圖形的幾何資訊轉變為一個個柵格組成的2D影象的過程，可以理解為在這個3D圖形的每個點都包含有顏色、深度以及紋理資料，經過一系列計算變換後，將其轉換為2D影象的畫素，進而呈現在顯示裝置上。
這一過程也就構成了我們愛遊戲中所看到的各類陰影效果以及光線投射，在這過程中所有的光影效果都是提前規劃好的，如果開發者在設計時不那麼嚴謹，就會在不應該有陰影的地方出現陰影。同時即便耗費巨大精力去提前設計好的所有陰影的可能情況，也只能做到無限接近於真實，況且這一點本身也很難做到。於是實時光線追蹤（Real-Time Ray Tracing）便成為了玩家與遊戲開發者最終極的選擇與夢想。
然而非常尷尬的是，在RTX 2080/Ti發售之後的2個月的時間內，竟然一直都沒有一款支援實時光線追蹤的遊戲出現，釋出會上提到的支援光線追蹤的大作要麼跳票要麼爽約，很多人認為RTX技術可能會成為第二個PhysX。
11月14號，我們終於等到了第一款支援光線追蹤的遊戲《戰地5》，我們快科技也於第一時間拿到了遊戲的CDKEY。原本在半個月前就要完成的評測，在過程中出現了一些預料外的情況，以至於直到現在才讓讀者見到這篇文章。
（題外話：Intel不甘心CPU在遊戲中的地位被GPU取代，同時也想在GPU市場有所作為，於是在2008年開發出了一款採用了X86構架的Larrabee顯示卡，它集成了32塊奔騰1代處理器，配合當時最先進的45nm製程工藝，頻率可以達到2GHz，浮點效能一舉達到了1TFLOPS，遠超當時最強的GTX 280，不過隨著ATI 推出HD5870，Larrabee的效能優勢不再。 GPU領域每18個月效能翻倍，這顯示不是Intel能夠跟上的步伐，它習慣了每18個月效能提升10%。無法再顯示卡領域立足的Larrabee搖身一變，改名為Xeon Phi加速卡，目前最頂級的產品達到了72核，售價則達到了10萬元）
二、光線追蹤畫面對比：還原真實世界的光影效果
我們找了幾處光線追蹤效果比較明顯的場景，在下面向玩家一一展示：
這是一處爆照場景，在光線追蹤關閉的情況下，左圖只能單純的看到爆炸效果；在開啟DXR之後，爆炸的火光映紅了周圍的空間。我們我可以看到機槍上被紅色的火光所照亮、也可以看到水面所反射出來的火光。
這是城鎮一處汽車玻璃上的反射對比圖。在DXR關閉的情況下，建築物在汽車玻璃裡面的倒影非常模糊，同時光線量太少導致成像偏暗，另外還有一些錯誤的成像。右圖開啟光線追蹤之後，天空以及建築物在汽車玻璃內的成像非常清晰明亮，RTX 2080 Ti每秒100億條光線的計算能力在這得到了很明顯的體現。
這一出場景，左圖出現了非常明顯的邏輯性錯誤。高架橋的倒影沒有出現在車窗中，反而被高架橋所擋住的屋頂竟然出現了。右圖在開啟光線追蹤之後，一切恢復了正常。
這張圖與第一張類似，左圖在光線追蹤關閉的情況下，畫面裡只有一個電線杆的影子。在DXR開啟之後，冰凍的地面將附近哨塔裡面的燈火完整的映射出來。
三、效能實測：開啟DXR後遊戲幀率腰斬
測試平臺及說明
測試平臺選用的處理器是i9-9900K（默頻），記憶體則是芝奇F4-3200 C14D 8GB共2條16GB，在BIOS開啟XMP模式使之執行在3200MHz 14-14-14-34 CR2的頻率與時序下。測試的顯示卡從GTX 1080到RTX 2080 Ti一共5款。
測試方法
在《戰地5》中想要開啟光線追蹤特效，必須要滿足以下條件：Win10更新到1809；擁有一張支援光線追蹤的圖靈RTX遊戲顯示卡；下載版本號416。94或之後的顯示卡驅動。
以上條件都滿足之後，在遊戲的進階影像設定中啟用DX12，就會出現“啟用DXR”的選項。DXR總共有4個調節檔位，分別是“最高”、“高”、“中”以及“低”。在測試中“最高”、“高”、“中”此3個檔位的幀率幾乎相同，因此以下測試資料中不再顯示DXR高特效的幀率。
由於《戰地5》並沒有提供測試程式，我們選擇了單人模式“1942年：北非”關卡中的一個任務—潛入敵方基地作為測試場景。
這個場景光線充足，有大量的陰影以及倒影，加之環境變數較少，測試的成績相對公平。
首先是1080P解析度。在DXR關閉的情況下，所有的顯示卡幀率都超過了100FPS，RTX 2080 Ti更是達到了145FPS的幀率，在這個解析度下，CPU依然是瓶頸。
在開啟DXR之後，出現了一個很奇怪的現象。DXR共有四檔，不過在最高、高、中這三檔畫質的測試中，幀率幾乎都是一模一樣，只有在DXR低特效的情況下，幀率才會有10FPS的提升。
具體來看，開啟DXR之後，將DXR調到最高檔時，幀率下降幅度超過了40%，RTX 2080 Ti從原來的144FPS降到了81，下跌了44%，RTX 2080則從原來的120FPS降到了71，跌幅41%；RTX 2070幀率從原來的111降到了59FPS，跌幅為47%。
將DXR調至最低檔，三款光追顯示卡都是提升了10幀。
接下來是4K分辨下的測試成績：
4K解析度才能真正體現頂級顯示卡之間的效能差距。在DXR關閉的情況下，RTX 2080 Ti以83FPS的幀率獨佔鰲頭，領先GTX 1080 Ti達到了40%。在此解析度下，GTX 1080和RTX 2070均不能達到60FPS，GTX 1080 Ti和RTX 2080都是在60FPS附近徘徊。
在開啟了DXR之後，將DXR調到最高檔時，遊戲幀率直接被腰斬了。RTX 2080 Ti的幀率從83變為42FPS，跌幅接近50%；RTX 2080的幀率了從64降到了33FPS，降幅49%；RTX 2070的幀率從52降到了27FPS，降幅48%。
將DXR調至最低檔，，而且三款光追顯示卡幀率提升了8~10FPS，但即便是RTX 2080 Ti，其幀率也沒能達到60FPS。
四、結語：光線追蹤開啟新革命 前景可期
20年前，顯示卡的圖形效能非常有限，玩家看到的3D遊戲畫面滿屏充斥著方塊和馬賽克，只有在過場CG動畫中，才能看到賞心悅目的3D動畫。想要讓遊戲的實時畫面效果和CG動畫一樣，這在當時是想都不敢想的事情。在PS2將機能提升50倍之後，實時遊戲畫面慢慢的開始接近CG畫面。而今，3A遊戲的畫面特效以及精細程度已經遠遠超過了20年前的CG動畫。
同樣的，當我們在IMAX影院沉醉於科幻大片所展現的絢麗的光影世界的時候，可曾想過3D遊戲也能呈現這樣的畫面呢？
傳統的光線追蹤技術是以光源為起點定義光線，進而追蹤由此產生的光線與物體表面以及光線與光線之間互動關係的過程。但該技術目前實現起來非常困難，因為這一技術需要無限多的光線照射在物體表面，透過反射、折射、漫射等途徑進入最終的“攝像機”成像。這一過程需要耗費大量的算力且會有大量光線損失。
因此，即便擁有超級計算機算提供強大的算力，科幻大作的逼真光影特效也並非實時生成，它的每一秒、每一幀畫面都需要耗費巨大的算力和漫長的時間才能製作完成。於是當人們最初在談論實時光線追蹤遊戲時，曾斷言20年內之內不可能實現。
然而沒有什麼是不可能的！從2008年開始，NVIDIA的工程師經過10年的研究，提出了一種新的Ray tracing理念，即是透過進入“攝像機”的光線，來回溯尋找光源。大部分從光源發出被折射或者漫反射不被玩家所看到的光線將不會被運算，這種思路將需要實時計算的光線數量降低了數十倍。這還不夠，NVIDIA又在Turing遊戲卡中加入了RT Core（光線追蹤計算單元），RTX 2080 Ti只用了68個RT Cores就能提供十倍於4352個CUDA Cores所提供的光線計算能力。透過這些努力，使得實時光線追蹤技術至少提前十年成為現實。
術業有專攻，正如同GPU取代CPU來進行3D特效畫面計算是必然，想要實現實時光線追蹤，必須用RT Core來取代CUDA Core來進行光線計算。
回到《戰地5》這個遊戲。說實話，現在的光柵化渲染已經非常高階了，可以向大家展示逼真的光影特效，因此要在這個遊戲中要找到有非常明顯的光追效果的畫面不是那麼容易。在開啟DXR之後，遊戲的幀率出現了斷崖式的下跌，在1080P解析度下，三張圖靈顯示卡基本上能保證60FPS的幀率。但是到了4K解析度下，就算是RTX 2080 Ti，在開啟光追之後，幀率也只有42FPS，遊戲時的流暢度所有欠缺。
畢竟《戰地5》是第一款光追遊戲，略帶有實驗性質，它絕非光線追蹤的最終模樣。不過在遊戲中我們也感受到了光柵化渲染的侷限性，出現了非常多的不合理甚至是完全錯誤的陰影。在開啟DXR效果之後，一切的光影都變得真實，並且出現了很多以前沒有見過的反射、折射以及各種相互影響的光影特效。實時光線追蹤技術繼續發展下去，要呈現科幻電影般的光影世界已經是可以預期的事情。
目前實時光線追蹤暫時的困境讓人聯想到了抗鋸齒技術。早期的3D遊戲畫面滿屏的狗牙讓人難以忍受，抗鋸齒技術最初是以超級取樣的形式出現，雖然消滅了鋸齒，但是遊戲幀率卻下跌了75%。隨著硬體效能的不斷髮展，而今抗鋸齒技術已經成為了3D遊戲必不可少的畫質選項。
在7nm、5nm、3nm製程工藝的成熟之後，光線追蹤在幀率方面的問題最終會得到改善。對於開發者而言，合理的利用光線追蹤技術也能大大降低遊戲開發與設計的難度。最近微軟也將光線追蹤作為技術規範納入到了最新版本的DirectX之中，AMD跟進也是遲早的事情。相信光追必定不會是第二個Physx，因為玩家對於美好畫面的追求永遠都不會停止。
