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游戲里的真實光線效果依然很難普及
發(fā)布時間：2023-12-08 14:06:33 瀏覽量：134次
去年8月份，英偉達推出了自己最新一代RTX顯卡。這代顯卡一個十分重要的升級，就是增加了一個光線追蹤處理單元，號稱將“實時光線追蹤”帶給了普通用戶。
在幾款率先支持光線追蹤的游戲陸續(xù)實裝這個功能以后，也有不少玩家已經嘗過了鮮。總體來看，在光線反射比較復雜的情景下，光線追蹤確實對畫面表現(xiàn)有一定的提升。
但在其它一些場景里面，可能光線追蹤的效果就沒有那么明顯了。另外，即便經過了幾輪優(yōu)化，目前光線追蹤效果最好的《戰(zhàn)地5》還是會有20%-30%的幀數(shù)損失。在這種情況下，難免也有些玩家會疑惑：這個所謂的“光線追蹤”到底是在干嘛？我們真的需要這個“光線追蹤”的效果嗎？
01
其實“光線追蹤”的思路歷史十分悠久。早在17世紀，荷蘭畫家維米爾就發(fā)明了一種可以把圖像聚焦到一面鏡子上的設備，用來輔助自己繪畫。我們現(xiàn)在看幾百年前有些油畫極度逼真，仿佛照片一樣，有部分就是用這種方法畫的。
現(xiàn)代工程師仿制了維米爾的設備，并成功重現(xiàn)了維米爾的作畫過程
現(xiàn)實世界中光影的變化十分復雜，以下圖為例，白框內綠色的臺球左邊映上了紅色臺球的影子，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。材質越光滑的物體，這種現(xiàn)象越明顯。
這種細微的色彩變化沒有受過訓練的人比較難意識到，畫出來的畫面就容易顯得死板平面
通過這個設備，維米爾可以準確觀察到這種微弱的細節(jié)，使得他的作品中光影的真實感在同時代畫家中獨樹一幟。
假如在這個設備上更進一步，把鏡子換成可以感光的底片，就是照相機的基本原型。實際上，人的眼睛能夠看見東西，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，就是對現(xiàn)實中各種光學現(xiàn)象的模擬。首先用三維模型創(chuàng)建一個場景，然后讓光線在場景里面按照物理規(guī)則自由地反射，最后投射到屏幕上的，自然就是真實而正確的影像。
光線追蹤的原理概念
用這種方法來生成圖像，光影效果和現(xiàn)實十分接近，但是想要完整模擬光線的物理特性，運算量實在是太大了。在三維圖像剛發(fā)明的時候，沒有電腦能夠處理這種模擬過程。
為了節(jié)省運算量，開發(fā)者們想了個取巧的辦法：跳過計算光線的步驟，把三維模型直接“拍扁”，投射到二維畫面上。這么一來，計算速度就要快得多了。這就是常說的“光柵化渲染”。
粗淺理解，光柵化就是把模型“拍扁”到屏幕上
02
隨著技術不斷進步，計算機性能不斷提升，光線追蹤在3D動畫和電影特效渲染中的應用已經比較普遍了。
從2008年的《汽車總動員》開始，光線追蹤就已經得到比較大規(guī)模的運用了
但是游戲想要有流暢的體驗，每秒至少要生成30張以上的圖像，對速度要求很高。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，就是由于省略了計算光線的步驟，同一個場景里面各種物體之間不會有任何光影關系。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現(xiàn)的。
現(xiàn)代3D游戲的畫面原理和90年代相比其實變化不大
為了解決這些問題，游戲在設計的時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以后在鏡子里重新渲染一遍。
《我的世界》的玩家也會使用這種技巧人工制造游戲不支持的畫面特效，比如這個“光滑如鏡”的地面，看上去是地面反射了上面的建筑，其實是透明玻璃，玻璃下面再倒過把上面的建筑再造一遍。
當然，也有使用所謂的“屏幕空間反射”的技巧，靠復制屏幕上已經渲染好的畫面元素來實現(xiàn)類似的效果，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假的，看上去和游戲場景的背景環(huán)境環(huán)境差不多就行。
甚至有許多游戲場景里復雜的光照效果，都是在制作游戲的時候先用光線追蹤預先渲染好物體受到光照會有什么表現(xiàn)，合成出一張光照貼圖，等到游戲運行的時候直接拿這張貼圖來表現(xiàn)光影的變化，來模擬出“光線追蹤”的效果。
使用預渲染光影前后對比
所有這些技巧，想要做到效果說得過去，都需要耗費很多人力和時間。將實時光線追蹤應用在游戲里面，不但玩家可以得到加更真實的畫面效果，游戲開發(fā)團隊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候會照出后腦勺。
03
從寫實游戲畫面的角度來看，光線追蹤確實是發(fā)展的大趨勢。但是現(xiàn)實遠比紙上的理論要復雜，最正確的方案不一定是最好的方案。游戲行業(yè)一項新技術能夠普及，需要開發(fā)者和玩家兩方面的認可。
從玩家的角度來看，現(xiàn)在體驗光線追蹤的成本還是有些過于高昂。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來看，光線追蹤在PC玩家中的普及程度不太可能超過這個數(shù)。
廠商面對這樣的市場開發(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。
類似的情景在好幾年前曾經出現(xiàn)過一次。那時候物理模擬還是個熱門的話題，很多游戲都在宣傳自己有可以破壞的場景和各種真實的物理特效。英偉達順勢推出了PhsyX，一個依靠專門硬件可以對粒子和毛發(fā)效果進行即時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，PhysX的情況和現(xiàn)在的光線追蹤顯卡有頗多相似之處。同樣被認為是大勢所趨的明日技術，性能表現(xiàn)也同樣不盡如人意。到這個世代，支持PhysX游戲已經很少。
近年支持PhysX的游戲已經很少了
有的時候，過于真實的游戲體驗也不一定是件好事。在《戰(zhàn)地5》里面，由于畫面比較寫實，有些玩家發(fā)現(xiàn)只要穿上迷彩服趴下不動就很難被敵人發(fā)現(xiàn)。這當然很真實，但是對于不那么硬核的玩家來說，可能就很不友好了。
對星際和戰(zhàn)雷玩家很不友好
更何況，游戲的樂趣和游戲的真實程度從來都不能劃上等號。
在游戲中實現(xiàn)實時光線追蹤確實是一項十分重要成就，很有可能會改變整個游戲業(yè)。假如下一代游戲機支持光線追蹤的話，情況也許也會有更多的變數(shù)。但是從目前的形勢來看，期待實時光線追蹤在未來幾年里面能夠普及，也許還是太樂觀了一點。
1月28日，英偉達發(fā)布了他們2019財年第四季度的報告，帶光線追蹤功能的RTX顯卡銷量低于預期，營收比預計下降了5億美元，也許是這種情況的一個注腳。
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