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游戲里的真實(shí)光線效果依然很難普及

發(fā)布時(shí)間：2023-12-08 14:06:33 瀏覽量：135次

去年8月份，英偉達(dá)推出了自己最新一代RTX顯卡。這代顯卡一個(gè)十分重要的升級(jí)，就是增加了一個(gè)光線追蹤處理單元，號(hào)稱(chēng)將“實(shí)時(shí)光線追蹤”帶給了普通用戶。

在幾款率先支持光線追蹤的游戲陸續(xù)實(shí)裝這個(gè)功能以后，也有不少玩家已經(jīng)嘗過(guò)了鮮?？傮w來(lái)看，在光線反射比較復(fù)雜的情景下，光線追蹤確實(shí)對(duì)畫(huà)面表現(xiàn)有一定的提升。

但在其它一些場(chǎng)景里面，可能光線追蹤的效果就沒(méi)有那么明顯了。另外，即便經(jīng)過(guò)了幾輪優(yōu)化，目前光線追蹤效果最好的《戰(zhàn)地5》還是會(huì)有20%-30%的幀數(shù)損失。在這種情況下，難免也有些玩家會(huì)疑惑：這個(gè)所謂的“光線追蹤”到底是在干嘛？我們真的需要這個(gè)“光線追蹤”的效果嗎？

01

其實(shí)“光線追蹤”的思路歷史十分悠久。早在17世紀(jì)，荷蘭畫(huà)家維米爾就發(fā)明了一種可以把圖像聚焦到一面鏡子上的設(shè)備，用來(lái)輔助自己繪畫(huà)。我們現(xiàn)在看幾百年前有些油畫(huà)極度逼真，仿佛照片一樣，有部分就是用這種方法畫(huà)的。

現(xiàn)代工程師仿制了維米爾的設(shè)備，并成功重現(xiàn)了維米爾的作畫(huà)過(guò)程

現(xiàn)實(shí)世界中光影的變化十分復(fù)雜，以下圖為例，白框內(nèi)綠色的臺(tái)球左邊映上了紅色臺(tái)球的影子，最終呈現(xiàn)出一種偏紅的橄欖色。在另外一邊，也有白色的倒影。材質(zhì)越光滑的物體，這種現(xiàn)象越明顯。

這種細(xì)微的色彩變化沒(méi)有受過(guò)訓(xùn)練的人比較難意識(shí)到，畫(huà)出來(lái)的畫(huà)面就容易顯得死板平面

通過(guò)這個(gè)設(shè)備，維米爾可以準(zhǔn)確觀察到這種微弱的細(xì)節(jié)，使得他的作品中光影的真實(shí)感在同時(shí)代畫(huà)家中獨(dú)樹(shù)一幟。

假如在這個(gè)設(shè)備上更進(jìn)一步，把鏡子換成可以感光的底片，就是照相機(jī)的基本原型。實(shí)際上，人的眼睛能夠看見(jiàn)東西，也差不多是同樣的原理。

電腦三維圖像所使用的光線追蹤技術(shù)，就是對(duì)現(xiàn)實(shí)中各種光學(xué)現(xiàn)象的模擬。首先用三維模型創(chuàng)建一個(gè)場(chǎng)景，然后讓光線在場(chǎng)景里面按照物理規(guī)則自由地反射，最后投射到屏幕上的，自然就是真實(shí)而正確的影像。

光線追蹤的原理概念

用這種方法來(lái)生成圖像，光影效果和現(xiàn)實(shí)十分接近，但是想要完整模擬光線的物理特性，運(yùn)算量實(shí)在是太大了。在三維圖像剛發(fā)明的時(shí)候，沒(méi)有電腦能夠處理這種模擬過(guò)程。

為了節(jié)省運(yùn)算量，開(kāi)發(fā)者們想了個(gè)取巧的辦法：跳過(guò)計(jì)算光線的步驟，把三維模型直接“拍扁”，投射到二維畫(huà)面上。這么一來(lái)，計(jì)算速度就要快得多了。這就是常說(shuō)的“光柵化渲染”。

粗淺理解，光柵化就是把模型“拍扁”到屏幕上


02

隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)性能不斷提升，光線追蹤在3D動(dòng)畫(huà)和電影特效渲染中的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍了。

從2008年的《汽車(chē)總動(dòng)員》開(kāi)始，光線追蹤就已經(jīng)得到比較大規(guī)模的運(yùn)用了

但是游戲想要有流暢的體驗(yàn)，每秒至少要生成30張以上的圖像，對(duì)速度要求很高。所以現(xiàn)在所有的游戲還是以光柵化渲染為主。

光柵化作為一種取巧的手段，有很多天生的缺陷。最典型的一個(gè)，就是由于省略了計(jì)算光線的步驟，同一個(gè)場(chǎng)景里面各種物體之間不會(huì)有任何光影關(guān)系。一些基本的反射、折射效果，比如鏡面和水面，單靠光柵化渲染是不能實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)代3D游戲的畫(huà)面原理和90年代相比其實(shí)變化不大

為了解決這些問(wèn)題，游戲在設(shè)計(jì)的時(shí)候就不得不使用各種各樣的奇技淫巧。比如游戲中的鏡子，大部分就是把房間翻轉(zhuǎn)以后在鏡子里重新渲染一遍。

《我的世界》的玩家也會(huì)使用這種技巧人工制造游戲不支持的畫(huà)面特效，比如這個(gè)“光滑如鏡”的地面，看上去是地面反射了上面的建筑，其實(shí)是透明玻璃，玻璃下面再倒過(guò)把上面的建筑再造一遍。

當(dāng)然，也有使用所謂的“屏幕空間反射”的技巧，靠復(fù)制屏幕上已經(jīng)渲染好的畫(huà)面元素來(lái)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的效果，但是這種方法假如做不好，也很容易出bug。

玩不好就砸了

水面的倒影、金屬的反光，很多都是用立方體貼圖做個(gè)假的，看上去和游戲場(chǎng)景的背景環(huán)境環(huán)境差不多就行。

甚至有許多游戲場(chǎng)景里復(fù)雜的光照效果，都是在制作游戲的時(shí)候先用光線追蹤預(yù)先渲染好物體受到光照會(huì)有什么表現(xiàn)，合成出一張光照貼圖，等到游戲運(yùn)行的時(shí)候直接拿這張貼圖來(lái)表現(xiàn)光影的變化，來(lái)模擬出“光線追蹤”的效果。

使用預(yù)渲染光影前后對(duì)比

所有這些技巧，想要做到效果說(shuō)得過(guò)去，都需要耗費(fèi)很多人力和時(shí)間。將實(shí)時(shí)光線追蹤應(yīng)用在游戲里面，不但玩家可以得到加更真實(shí)的畫(huà)面效果，游戲開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)也可以把精力放在更重要的事情上，而不是去發(fā)愁為什么玩家的臉沖著鏡子的時(shí)候會(huì)照出后腦勺。

03

從寫(xiě)實(shí)游戲畫(huà)面的角度來(lái)看，光線追蹤確實(shí)是發(fā)展的大趨勢(shì)。但是現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比紙上的理論要復(fù)雜，最正確的方案不一定是最好的方案。游戲行業(yè)一項(xiàng)新技術(shù)能夠普及，需要開(kāi)發(fā)者和玩家兩方面的認(rèn)可。

從玩家的角度來(lái)看，現(xiàn)在體驗(yàn)光線追蹤的成本還是有些過(guò)于高昂。以Steam數(shù)據(jù)為例，擁有高性能顯卡（GTX1070同等性能及以上）的用戶比例只占不到12%。以現(xiàn)在有光線追蹤功能顯卡的定價(jià)來(lái)看，光線追蹤在PC玩家中的普及程度不太可能超過(guò)這個(gè)數(shù)。

廠商面對(duì)這樣的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)游戲，不可能不照顧到使用中低端顯卡的玩家。傳統(tǒng)的工序一道都不能省，反而要給光線追蹤功能額外做優(yōu)化。

類(lèi)似的情景在好幾年前曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一次。那時(shí)候物理模擬還是個(gè)熱門(mén)的話題，很多游戲都在宣傳自己有可以破壞的場(chǎng)景和各種真實(shí)的物理特效。英偉達(dá)順勢(shì)推出了PhsyX，一個(gè)依靠專(zhuān)門(mén)硬件可以對(duì)粒子和毛發(fā)效果進(jìn)行即時(shí)物理演算加速的功能。

物理減速的笑話就不講了

現(xiàn)在回想起來(lái)，PhysX的情況和現(xiàn)在的光線追蹤顯卡有頗多相似之處。同樣被認(rèn)為是大勢(shì)所趨的明日技術(shù)，性能表現(xiàn)也同樣不盡如人意。到這個(gè)世代，支持PhysX游戲已經(jīng)很少。

近年支持PhysX的游戲已經(jīng)很少了

有的時(shí)候，過(guò)于真實(shí)的游戲體驗(yàn)也不一定是件好事。在《戰(zhàn)地5》里面，由于畫(huà)面比較寫(xiě)實(shí)，有些玩家發(fā)現(xiàn)只要穿上迷彩服趴下不動(dòng)就很難被敵人發(fā)現(xiàn)。這當(dāng)然很真實(shí)，但是對(duì)于不那么硬核的玩家來(lái)說(shuō)，可能就很不友好了。

對(duì)星際和戰(zhàn)雷玩家很不友好

更何況，游戲的樂(lè)趣和游戲的真實(shí)程度從來(lái)都不能劃上等號(hào)。

在游戲中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光線追蹤確實(shí)是一項(xiàng)十分重要成就，很有可能會(huì)改變整個(gè)游戲業(yè)。假如下一代游戲機(jī)支持光線追蹤的話，情況也許也會(huì)有更多的變數(shù)。但是從目前的形勢(shì)來(lái)看，期待實(shí)時(shí)光線追蹤在未來(lái)幾年里面能夠普及，也許還是太樂(lè)觀了一點(diǎn)。

1月28日，英偉達(dá)發(fā)布了他們2019財(cái)年第四季度的報(bào)告，帶光線追蹤功能的RTX顯卡銷(xiāo)量低于預(yù)期，營(yíng)收比預(yù)計(jì)下降了5億美元，也許是這種情況的一個(gè)注腳。

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