遊戲畫面更真實的利器，解析 NVIDIA RTX GPU RT core 即時光源演算法
NVIDIA 新一代旗艦顯示卡 RTX 2080 於 21 日凌晨發表，藉由新的圖靈（Turing）架構，為玩家提供逼真的遊戲體驗。然而，新一代顯示卡和先前發表以 Volta 架構為核心的 Titan V 有什麼差異？為什麼帶來更逼真的體驗？
這一代圖靈顯示卡，NVIDIA 新增了名為 RT core 的新運算單元。就如同在 Volta 新增的 Tensor core，是為特殊應用情境而設計的計算元件。此元件設計的目標為讓 GPU 擁有即時運算光線追蹤（Ray Tracing）的能力。一種可讓遊戲更逼真的渲染（Rendering）演算法。
然而，以前沒有採用光線追蹤時，遊戲也可以做得很逼真，為什麼還要新增額外的電路呢？這就要比較現有渲染演算法 Rasterization 及 Ray Tracing 了。
Rasterization，經典且好用的演算法
現行電腦繪圖中，顯示卡會將顯示的資料以三維空間方式儲存，之後再投影整個空間，留下可被使用者看到的部分，以形成二維畫面。詳細演算法可參考《從點到面、從黑白到彩色，一步步繪出奇幻世界的顯示卡》一文。
過去數十年的發展，此演算法的蓬勃發展，為遊戲玩家帶來相當逼真的遊戲介面。然而，要繪製更逼真的光學效果，諸如金屬的反射、玻璃的折射及陰影等，現有的 Rasterization 有其極限。
如果，可直接使用幾何光學模擬光學的實際狀況，不就能做出相當擬真的光學效果嗎？此方法已被廣泛用在現在的電影特效，此方法的逼真程度，從現在的電影特效就得以了解。
Ray Tracing，以光學為核心的渲染法
光線追蹤（Ray Tracing）是以光線的物理特性為核心的演算法。原理是從使用者端當起點，尋找光線反射折射的路徑並算出使用者會看到的物體顏色及亮度。如下圖所示：
（Source：By Henrik [GFDL or CC BY-SA 4.0 ], from Wikimedia Commons）
然而，由於是讓大量光線在空間中反射折射，且空間中物體的狀況未知，每繪製一張圖所需的計算量相當巨大，無法即時算出結果，因此遊戲產業尚未大量採用此技術。
新一代 GPU 中，NVIDIA 正式將 RT core 加入繪圖卡，讓即時光學渲染法（Rendering）不再是夢想，CEO 黃仁勳便在 SIGGRAPH 2018 示範即時 Ray Tracing 成果。
從影片可看到，採用新一代技術的顯示卡，可即時繪製絢麗的光澤，讓遊戲逼真程度更上層樓，更可繪製出許多舊有技術無法滿足的細節。
技術大混合，Ray Tracing＋Machine Learning
然而不可否認，現在的光線追蹤技術還沒辦法即時完成繪圖工作，尚未完成工作就收集結果時，計算出來的成果會如下圖左半，還有相當多雜訊。
這些雜訊是來自模擬的光線數量不足，無法徹底填補細節。此時，便需要降噪器（Denoiser）填補細節缺失。NVIDIA 去年的論文，便示範可使用 Machine learning 達成此目標。使用降噪器後，便如圖右半邊那樣，帶來逼真的場景。
水到渠成？繪圖 API 已支援此技術！
然而，硬體廠商最大夢魘便是整個生態系的成熟度，有再好的硬體，沒有軟體支援都是空談。因此，NVIDIA 發表此顯卡前，便積極將 Ray Tracing 功能加入開放式繪圖 API Vulkan，同時也和微軟合作，將光線追蹤功能導入 DirectX 12，更和數家知名遊戲引擎開發者，如 Unity、Unreal Engine 等合作。
SIGGRAPH 2018 中，微軟 DirectX 開發長介紹了他們如何將光線追蹤和既有的渲染器（shader）結合，讓 Rasterization 和 Ray Tracing 互補優缺點。此外，此 API 已能使用，只需使用 Windows 10 v1803 開發者版本並有可執行 DirectX 12 DXR 的 GPU，便可嘗試 Ray Tracing 效果。
隨著顯示卡技術發展及遊戲引擎開發商的推進，或許在不久的將來，我們就能玩到如電影畫面精緻的遊戲，讓遊戲產業更上一層樓。
（首圖來源：NVIDIA）