擬真渲染演算法（Photorealistic Rendering Algorithms）在電腦圖形學中佔據了核心地位，這些算法致力於模擬光線與物體相互作用的真實世界物理過程，以產生逼真的圖像效果；隨著硬體性能的提升和新算法的開發，擬真渲染技術在近年來得到了顯著的進步，特別是在遊戲、電影和虛擬現實等領域中。
擬真渲染的技術要點
光線追蹤（Ray Tracing）：
光線追蹤是一種基本的渲染技術，它的原理是模擬光線的行進路徑，追踪從光源出發、經過物體表面反射或折射後，到達觀察者眼睛的光線；光線追蹤可以實現逼真的陰影、反射和折射效果；這種技術在早期由於運算成本高而主要用於靜態圖像渲染，但隨著圖形處理器（GPU）的性能提升，尤其是硬體加速技術的應用，光線追蹤已經逐漸應用於實時渲染中。
技術細節：
光線投射：從視角出發，通過每個像素投射出一條光線，這條光線會穿過場景中的物體。
碰撞檢測：檢查光線是否與場景中的物體相交，這一步涉及大量的數學計算，尤其是需要處理三角形網格的相交問題。
光線反射和折射：根據物體材質的屬性（如反射率和折射率），計算光線在物體表面上的反射和折射行為，並產生相應的光線以進行下一步計算。
陰影計算：如果從物體表面反射的光線無法到達光源，則該點會顯示為陰影。
光線衰減：隨著光線的傳播，能量會逐漸衰減，因此還需要計算光線的強度衰減。
路徑追蹤（Path Tracing）：
路徑追蹤是一種基於蒙特卡洛方法的全局光照技術。它透過隨機樣本模擬光線的多次反射和折射，從而逼真地再現間接光照和漫射光照效果；這種技術適合於生成極其逼真的光影效果，但需要大量的運算資源，因此通常與降噪技術（Denoising）結合使用以提高效率。
技術細節：
樣本生成：透過從像素點隨機投射光線，計算光線的反射、折射及其與場景中的其他物體的交互。
間接光照：在光線與物體表面相交之後，根據材質屬性計算該點的間接光照，這可能涉及多次反射和折射。
隨機漫射：模擬光線在粗糙表面上的散射效果，這種效果能夠再現現實中的漫射光照。
降噪處理：由於路徑追蹤產生的圖像中包含許多隨機雜訊，降噪算法會進行後處理，以提高圖像品質和清晰度。
光子映射（Photon Mapping）：
光子映射是一種基於粒子追蹤的技術，用於計算間接光照、次表面散射、和其他複雜光影效果，這種技術通常分為兩個階段：光子發射階段和光子收集階段；在光子發射階段，光源釋放出大量光子，這些光子穿過場景並與物體表面交互，在光子收集階段，演算法透過計算場景中光子的密度來模擬間接光照。
技術細節：
光子發射：從光源出發發射大量光子，這些光子會在場景中彈跳並與物體相互作用。
光子存儲：每當光子與物體表面相交時，都會在該位置存儲光子的顏色、能量和方向資訊。
光子密度估計：在渲染階段，計算相機光線所見點周圍的光子密度，用於估計間接光照效果。
次表面散射：光子映射技術還可以用於模擬光在半透明物體內部的多次散射效果，例如皮膚或蠟燭。
全局照明（Global Illumination, GI）：
全局照明是一種計算光線多次反射的技術，用於捕捉間接光照對場景的影響；全局照明技術使得場景中的所有光源（直接光源和間接光源）都能夠相互影響；這種技術可以透過不同的方法來實現，例如光線追蹤、光子映射或基於圖像的光照技術（Image-Based Lighting, IBL）。
技術細節：
輻射度法（Radiosity）：基於能量守恆的理論，分割場景為多個小平面（Patch），計算這些平面之間的能量交換。
Monte Carlo 照明：透過隨機樣本來模擬光線的散射行為，進一步提高場景的逼真度。
基於圖像的光照：使用現實場景中的高動態範圍圖像（HDRI）作為光源，模擬複雜的光照環境。
2024年市場上的最新擬真渲染技術
2024年，擬真渲染技術的發展聚焦於提高渲染的效率和圖像品質，同時減少所需的計算資源。以下是一些最前沿的技術趨勢：
實時光線追蹤（Real-Time Ray Tracing）：
實時光線追蹤技術如今已經成為遊戲和虛擬現實應用的主流，特別是在 NVIDIA 的 RTX 系列和 AMD 的 RDNA 系列顯卡支持下，能夠在高分辨率和高幀率下實現逼真的光影效果，這項技術的突破性發展在於結合了光線追蹤與傳統的光柵化（Rasterization）技術，達到了畫面品質和性能的平衡。
最新技術應用：
混合光線追蹤技術：結合了光柵化和光線追蹤，利用光柵化進行基本的幾何渲染，再使用光線追蹤處理反射和折射等高級效果。
硬體加速技術：透過專門的光線追蹤加速器（如 NVIDIA 的 RT Core）和 AMD的 Ray Accelerator 單元，顯著提高了光線追蹤的性能。
深度學習超級採樣（Deep Learning Super Sampling, DLSS）：
DLSS技術利用人工製智慧和深度學習模型來提高圖像分辨率和品質，這使得遊戲和應用程序在不犧牲性能的情況下顯示出高品質的圖像；DLSS通過AI訓練的網絡來預測高分辨率圖像，並將其與低分辨率圖像合成，這有效地減少了運行實時光線追蹤的計算資源。
最新技術應用：
DLSS 3.0：引入了更先進的神經網絡結構和模型，能夠在更加動態的場景中提供穩定的畫面質量提升。
可適應性分辨率：根據不同的場景動態調整渲染分辨率和DLSS的應用程度，進一步提升性能。
虛擬顆粒物技術（Virtual Particles Technology）：
虛擬顆粒物技術的進步使得遊戲中的火焰、煙霧和流體等效果達到了前所未有的真實度，該技術模擬了顆粒與光線的相互作用，並且考慮了顆粒密度、光散射和吸收等物理特性。
最新技術應用：
粒子光線追蹤：對於每個粒子，使用光線追蹤來計算光線如何穿過和反射，生成更加真實的效果。
基於物理的粒子模擬：使用流體動力學模擬顆粒運動，並將其與光線追蹤相結合，創造更逼真的環境特效。
全局照明的混合方法（Hybrid Global Illumination Techniques）：
為了在實時應用中實現全局照明效果，開發者結合了光線追蹤和基於體積的光照技術，這些技術能夠在保證畫面質量的同時，顯著降低運算需求，使其適用於各種設備。
最新技術應用：
即時輻射場技術（Instant Radiosity Fields, IRF）：使用預計算的輻射場來模擬全局光照，並結合實時光線追蹤來更新動態光源和移動物體的光照效果。
多通道光照緩存：透過將場景分割為不同的光照緩存區域，允許不同區域使用不同的光照計算方法，提高性能和效果。
黑神話：悟空的擬真渲染技術（Black Myth: Wukong's Photorealistic Rendering Technology）：
《黑神話：悟空》使用了Unreal Engine 5的Nanite和Lumen技術，這些技術代表了目前擬真渲染技術的巔峰；Nanite技術允許在場景中使用數百萬個多邊形的高詳細度模型，而Lumen技術提供了即時的全局照明和反射效果，使得場景中的光影效果達到電影級別的逼真度。
最新技術應用：
Nanite 虛擬化幾何技術：Nanite通過利用虛擬化幾何體技術，自動縮放模型細節，使其根據視角和距離進行優化渲染，從而節省計算資源。
Lumen 即時光照技術：Lumen使用動態光照技術來即時計算光線的反射和折射，無需事先燒製光照貼圖（Lightmap），適合於需要頻繁更改場景光照的動態遊戲環境。
擬真渲染演算法對未來遊戲產業的影響及產值
擬真渲染技術的進步不僅提升了遊戲的視覺品質，還對遊戲產業產生了深遠的影響：
提升遊戲視覺品質：
擬真渲染技術使得遊戲的圖像質量達到了前所未有的水平，這種提升不僅增加了玩家的沉浸感和遊戲體驗，還吸引了更多的用戶群體，特別是在VR和AR等沉浸式平台上的應用。
擴展遊戲市場：
隨著擬真渲染技術的普及和提升，更多的遊戲類型（如開放世界、角色扮演和模擬遊戲）能夠實現更高的真實度，這進一步擴展了遊戲市場的潛力，並吸引了不同產業和背景的用戶。
推動硬體銷售：
由於擬真渲染技術對硬體性能的要求較高，這推動了高性能圖形處理器（GPU）和先進顯示設備的需求增長；如NVIDIA和AMD利用這一趨勢來增強其市場地位和收入，新的硬體技術也不斷被推向市場，以滿足日益增長的需求。
促進跨平台發展：
擬真渲染技術還促進了跨平台遊戲開發，從高性能遊戲主機到行動裝置，再到雲遊戲平台；這使得開發者可以針對更廣泛的受眾創建高質量的遊戲，並根據不同平台的特點進行優化。
產值
根據市場研究機構的數據，2024年全球遊戲市場的總體規模預計將達到 2000 億美元，其中很大一部分增長來自於高品質遊戲和擬真渲染技術的驅動；隨著消費者對更真實、更具沉浸感的遊戲體驗需求的增加，擬真渲染技術的應用範圍將進一步擴大；未來五年內，預計該技術的市場產值將持續增長，有望達到約500億美元。
行動裝置的成長機會：
隨著行動裝置（如智慧型手機和平板電腦）的硬體性能不斷提升，特別是在處理器（如 Apple的 A 系列晶片ㄧ或高通的 Snapdragon 系列）的圖形處理能力增強的背景下，擬真渲染技術也開始在行動平台上實現；現今的行動裝置已經能夠支援更高解析度的屏幕、HDR顯示、和高幀率，這些技術特性都為擬真渲染提供了理想的運行環境。
行動裝置受惠於擬真渲染技術的成長效應：
提升行動遊戲品質：行動裝置上的擬真渲染技術允許開發者在行動平台上創造更加逼真的遊戲環境和角色設計；這不僅提升了玩家的體驗，也將吸引更多使用者轉向高端遊戲。
增加行動遊戲收入：隨著行動裝置支援更高品質的圖形效果，遊戲開發者可以推出更多需要高性能硬體支援的遊戲，這些遊戲通常能帶來更高的收入，特別是基於訂閱模式或內購系統的遊戲。
擴大市場受眾：高品質的擬真渲染技術不僅吸引了傳統的遊戲玩家，也吸引了更多非遊戲玩家嘗試新遊戲，從而擴大了整個行動遊戲市場的受眾範圍。
推動5G和雲遊戲的發展：5G網路的普及和雲端遊戲技術的進步，進一步推動了擬真渲染技術在行動裝置上的應用；高速網路的支援和低延遲，使得玩家能夠在任何地方享受高品質遊戲體驗，這促進了雲端遊戲服務和行動遊戲市場的成長。
總體而言，隨著擬真渲染技術在行動裝置上的應用逐步增長，預計行動遊戲市場的產值將在未來幾年內顯著提升；行動遊戲的全球市場規模預計將 在2024 年達到 1000 億美元以上，而其中約 30% 的成長將來自於擬真渲染技術的進步和應用。
參考網頁與網址
NVIDIA Real-Time Ray Tracing - 網址: www.nvidia.com/en-us/geforce/technologies/rtx/
NVIDIA DLSS Technology - 網址: www.nvidia.com/en-us/geforce/technologies/dlss/
Virtual Particles in Rendering - 網址: www.graphics.com/articles/virtual-particles-rendering
Hybrid Global Illumination Techniques - 網址: www.cgchannel.com/hybrid-global-illumination/
Black Myth: Wukong and Unreal Engine 5 - 網址: www.unrealengine.com/en-US/blog/black-myth-wukong-unreal-engine-5
GPU Market Trends and Sales - 網址: www.jonpeddie.com/publications/marketwatch
Global Game Market Report 2024 - 網址: www.newzoo.com/insights/trend-reports/global-games-market-report-2024
Future of Photorealistic Rendering Market - 網址: www.marketresearch.com/future-photorealistic-rendering