实时光线跟踪是实时绘制的前沿技术。直到最近，光线追踪对于实时应用来说还是太慢了，但NVIDIA的新gpu产品线正在改变这一切。
英伟达在2018年推出了新的图灵系列显卡。这些卡实时支持光线追踪(RTX)。光线追踪技术目前被用于补充传统的实时渲染技术，但随着技术的进步，将会有越来越多的实时光线追踪内容进入消费者市场。
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自20世纪90年代以来，3D实时渲染使用了一种叫做光栅化．栅格化使用由三角形或多边形网格创建的对象。渲染管道将每个三角形转换为像素。像素在显示在屏幕上之前被着色。
另一方面，光线追踪通过模拟光的行为提供了更加真实的图像。光线追踪计算每个像素的颜色，方法是沿着光线从眼睛或相机发出的路径，然后反射到3D场景中的多个物体上。
光线在运动时，可能从一个物体反射到另一个物体。它可能会被阻挡，或者通过透明或半透明的表面折射。在光线追踪过程中，所有这些相互作用都被计算和组合，以产生一个像素的最终颜色。这需要大量的内存和处理速度，但结果是高度的逼真渲染．
NVIDIA的RTX平台运行在该科技公司最先进的图形处理器Volta和Turing线上，并结合了光线追踪、深度学习和栅格化，以实现实时渲染。
NVIDIA RTX使用光线追踪、ai加速功能、高级着色器、模拟和资产交换格式加速和增强图形。它支持应用程序接口(api)，用于制作电影的逼真效果。
在2018年的GPU技术大会上，NVIDIA宣布支持RTX星球大战演示。NVIDIA gpu现在可以在消费者和专业工作站上提供专业质量的实时射线追踪功能。
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自1996年第一张3Dfx Voodoo 1卡发布以来，图形硬件发展迅速。到1999年，英伟达创造了这个词图形处理器（GPU）(GPU)与其GeForce 256。在接下来的二十年里，gpu从静态管道平台发展到高度可编程的硬件组件，开发人员可以创建并应用自定义算法。
如今，每台电脑、平板电脑和手机都有内置的图形处理器。这意味着每台设备内的硬件加速技术都在不断改进实时渲染。这导致了实时渲染应用程序的速度和图像质量的爆炸性增长。
GPU的大部分芯片区域都是专用于着色处理器的着色器核心．成千上万的可编程着色器被开发来控制gpu。大规模并行gpu的开发意味着处理过程只需几分钟，而以前需要几个小时。
gpu还可以通过并行处理任务来提高速度。例如，在栅格化工作中，将空间分配给z缓冲区以快速访问纹理图像和其他缓冲区，并找出哪个像素被三角形覆盖。
新的支持rtx的gpu增加了专用的射线跟踪加速硬件，并实现了一个新的渲染管道，以实现实时射线跟踪。场景中所有物体的RTX着色器被加载到内存中，并准备好计算物体的交叉点。
RTX还使用了一个新的去噪模块。如果在不需要发出更多光线的情况下降低了噪声，那么光线追踪的输出就会更快更好。英伟达并没有在他们的新图灵gpu中发布大量关于张量“AI”核的信息，但我们知道他们在计算边界体积层次结构(BVH)中存储的交叉点时要快得多，BVH是一种表示对象的数据结构。
为了开发NVIDIA RTX技术的应用程序，需要一个应用程序接口(API)。API是用于编程图形用户界面(GUI)组件的接口。
有一些api可供开发者访问NVIDIA RTX。首先是英伟达自己的OptiX编程接口。开发者也可以通过微软的DirectX射线追踪API (DXR)访问RTX编程工具。第三个API是Vulkan，这是非营利组织Khronos Group的跨平台图形标准。这三个api都采用了类似的方法。
NVIDIA自己的OptiX (OptiX应用加速引擎)API为开发人员提供了一个“简单、递归和灵活的管道”来进行实时射线跟踪。OptiX应用于许多行业:电影和游戏、设计和科学可视化、国防应用，尤其是音频合成。OptiX API与RTX技术合作，在NVIDIA gpu上实现最佳的射线跟踪性能。
OptiX是一个高级API，这意味着它处理整个渲染算法，而不仅仅是光线追踪部分。OptiX引擎可以执行大型混合算法——例如，光栅化和光线跟踪同时使用——具有极佳的灵活性。
OptiX已集成到多个商业软件产品，如Autodesk Arnold, Chaos Group V-Ray, Isotropix Clarisse, Optis, Pixar RenderMan，和SolidWorks Visualize，使用SolidWorks自由职业者．
OptiX devkit包括两个主要组件:用于渲染器开发的光线跟踪引擎和用于图像处理的后处理管道。据英伟达称，OptiX AI去噪技术结合了Quadro GV100和Titan V中的新英伟达张量核心，在无噪声流体交互的情况下，提供了上一代gpu的三倍性能。
OptiX使用即时(JIT)编译器，它不断分析代码以优化速度。JIT编译器为开发人员生成的用于光线生成、材质着色、对象交叉和场景遍历的程序生成定制的内核。紧凑的对象模型和光线追踪编译器直接映射到运行在NVIDIA的Volta和Turing gpu上的RTX平台。
OptiX可以使用NVIDIA的CUDA工具包。CUDA是英伟达在2006年开发的并行计算平台和编程模型。它是为配合该公司的cuda gpu而定制的，以实现最佳的图形性能。为了使用OptiX，需要一个支持CUDA的GPU和CUDA工具包。
对于OptiX的实时光线跟踪，开发人员使用CUDA给出光线在特定情况下应如何工作的说明。例如，光线在撞击花岗岩时与撞击水时的行为不同。OptiX和CUDA允许开发人员根据自己的喜好定制这些命中条件，提供大量创造性的灵活性。
2014年，英伟达在OptiX 3.5上增加了另一个名为OptiX Prime的库。OptiX Prime是一个用于细化射线追踪的低级API。OptiX Prime不处理整个渲染算法，只处理光线追踪部分，所以它不能为新的gpu重新编译算法，不能为性能重构计算，也不能使用网络设备。
使用OptiX API进行射线追踪是一个多步骤的过程。首先，开发人员定义射线生成程序。光线是否会从“相机”中平行射出?线性视角?然后，程序员可以定义的其他东西是:
这些程序的示例可与OptiX软件开发人员工具包(SDK)一起使用。这里有一个总结:
Ray-generation程序:在光线路径上发出的第一条或主光线使用光线生成程序。这个用户定义的程序通过场景跟踪光线，将跟踪结果写入输出缓冲区。
Scene-traversal程序:OptiX可以有效地剔除场景中不被给定光线所相交的部分。这使得OptiX能够隐藏遍历加速的高度优化的、特定于体系结构的实现的复杂性。
交集和限定框程序:边界框程序计算自定义原语(如球体或曲线)的边界框。这有助于交集程序返回真正的或假根据光线是否与物体相交。
最热门和任何热门程序:OptiX允许开发人员指定一种或多种光线类型：例如，辐射、环境光遮挡或阴影光线。开发人员可以创建“最近命中”和“任意命中”程序，以描述对象与每个光线类型相交时的着色行为。
任何命中或命中最近的程序都可以不绑定;例如，一个不透明的材料可能只需要一个阴影射线的程序，因为找到光线和阴影点之间的任何交集就足以确定该点处于阴影中。
项目小姐:当射线没有击中任何对象时，将调用miss程序。它也可以为不同的射线类型指定，并且可以不绑定。Miss程序在创建环境地图或背景时非常有用。
OptiX可以在多个NVIDIA GPU上运行，但非正式的用户测试表明，它在Volta GPU上表现最好。使用NVIDIA Volta gpu和RTX射线追踪技术，开发者可以在交互式应用中使用逼真的照明和材料实现实时、电影质量的渲染。
微软的DirectX®射线追踪(DXR) API于2018年3月推出。与NVIDIA密切合作开发的DXR扩展了DirectX 12与完全集成的射线跟踪。与NVIDIA的OptiX一样，微软的DXR可以使用光线追踪和传统光栅化技术处理混合算法。NVIDIA已经与微软合作，使DXR完全支持RTX。
微软的DirectX射线追踪(DXR) API为游戏开发者完全集成了射线追踪到DirectX。目前，它只是作为栅格化的补充而不是替代。DXR专注于使这种混合技术提高实时渲染的质量。随着技术的发展，微软的目标是在实时渲染应用中使用DXR实现真正的全局光照。
DXR的第一步是在两个层次上构建加速结构。在底层，应用程序为世界中的对象指定一组几何顶点和索引缓冲区。在顶层，应用程序指定一个实例描述列表。这两个层次允许多个复杂形状。
第二步是为着色器和纹理定义光线追踪管道。与OptiX一样，这允许开发人员指定当特定类型的光线击中特定对象时应该使用哪些着色器和纹理。
使用DXR的第三步是调用DispatchRays。DispatchRays激活光线生成着色器。然后着色器调用TraceRay intrinsic，激活适当的命中或错过着色器。TraceRay也可以被称为“命中或错过”着色器，允许“多次反弹”照明效果。
英伟达游戏工厂光线追踪DEVKIT提供了使用NVIDIA RTX的微软DXR API的工具和资源，包括光线跟踪降噪模块。有了微软这样的行业标准平台上的这项技术，每个PC游戏开发人员现在都可以访问实时光线跟踪。
Vulkan API是第三个，也是最新的RTX API，用于编程实时射线追踪技术。2015年，非营利组织Khronos集团在英伟达的GPU技术大会上推出了这款软件。Khronos专注于为软件供应商的游戏、手机和工作站开发创建API。
Vulkan最初被称为“下一代OpenGL计划”。它来自AMD的Mantle API, AMD捐赠给Khronos的目的是为低水平的RTX API提供基础，可以在整个行业标准化。NVIDIA的Vulkan光线追踪扩展将在一个跨平台的API中为Vulkan添加混合光线追踪和光栅化技术。
Vulkan指定着色程序并计算内核、对象和操作。它也是一个具有可编程和固定功能的管道。Khronos希望Vulkan API具有多种优势，比如批处理以降低驱动程序开销，对GPU更直接的控制，减少CPU使用，以及在多核CPU上更好的伸缩性。
与使用高级语言GLSL编写着色器不同，Vulkan驱动程序使用已经翻译成中间二进制格式的着色器。通过允许着色器预编译，应用程序初始化更快，每个场景可以使用更多的着色器。Vulkan驱动程序只需要做特定于gpu的优化和代码生成，从而使驱动程序维护更容易。
Vulkan API适用于高级显卡以及移动设备上的图形硬件。与OpenGL类似，Vulkan API并不锁定于单个操作系统。Vulkan可以在Android、Linux、Tizen、Windows 7、Windows 8和Windows 10上运行。对iOS和MacOS的免费授权第三方支持也可用。
根据Vulkan用户指南，使用Vulkan需要四个先决条件:
为了开始开发Vulkan应用程序，开发者需要访问SDK。它包括标头、标准验证层、调试工具和所有Vulkan函数的加载器。加载程序在运行时查找驱动程序中的函数。
与DirectX 12不同，Vulkan不包括线性代数操作的库。它的开源教程指导用户下载GLM，这是一个为图形api设计的库，OpenGL也经常使用它。
Vulkan本身也不包括用于显示渲染结果的工具。Vulkan建议开发人员使用Windows、Linux和MacOS支持的GLFW库来创建窗口。
Vulkan中的图形开发包括三角形绘制、顶点缓冲区创建、均匀缓冲区分配、纹理映射、深度缓冲、模型加载、mipmap生成和多次采样。因为Vulkan是一个非盈利合作组织，所以一般用户都可以在网上找到开源教程。
随着gpu的不断发展和api的开发，NVIDIA、微软和Khronos集团正引领潮流，用实时光线追踪取代光栅化，成为3D实时渲染的标准算法。
除了游戏等应用的电影现实主义，实时光线追踪也越来越多地被用于增强建筑应用，产品设计服务、科学可视化等等。
现在，光线追踪工具，如Autodesk Arnold，混沌集团的V-Ray，皮克斯的Renderman，和英vidia的最新GPU技术正在被创造者们用来生成逼真的模型和原型，建模光线如何与他们的设计交互，而且，随着GPU提供了更多的计算能力，创造互动娱乐，将在其范围内越来越电影化。
由RTX及其配套的api生成的实时、电影质量的渲染，是世界上一些最大的技术公司在计算机图形算法和GPU架构上20多年工作的顶峰。
通过使用运行在NVIDIA Turing和Volta GPU上的光线跟踪引擎，并使用OptiX、Microsoft DirectX光线跟踪（DXR）或Vulkan编程，以及GameWorks SDK等工具，开发人员可以扩展为客户实现创造性愿景的能力。
随着时间的推移，实时光线追踪将创造出越来越逼真的反射、阴影和折射，为交互式消费者应用程序提供电影制作的所有超真实质量。尽管在短期内，混合方法仍将继续成为竞争者，因为它将实时射线追踪与传统光栅化技术相结合。
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