說了一整年的光線追蹤技術,對遊戲世界的影響才剛剛開始

作者 | 發布日期 2019 年 08 月 27 日 15:10 | 分類 GPU , 處理器 , 遊戲軟體 follow us in feedly


上週末,《當個創世神》(Minecraft)展示了一段新影片,重點在於增加支援光線追蹤技術

不同於以往看到的像素畫面,在這段影片,你會看到真實且富層次感的光影世界。光線穿過小孔,在室內牆壁打出一道柔和的光暈,橘紅色爐火閃耀四周牆壁,陽光直射下水面波光粼粼……這些高擬真的光線效果雖然在自然界理所當然,但在遊戲世界卻未曾如此真實。

▲ 《當個創世神》光線追蹤展示。

「之前的遊戲裡,你看到一塊發光的金子,它就是亮黃色的;但現在,你可能會在金子表面看到反射的人物影子。」《當個創世神》創意總監 Saxs Persson 介紹

擅長技術分析的專業媒體 Digital Foundry 表示,這是他們迄今印象最深刻的光線追蹤展示,因為《當個創世神》遊戲本身建模並不復雜,反而能讓玩家更直覺感受到動態光線與四周環境的交互作用。

(Source:NVIDIA

打造真實的遊戲世界是人類不斷追求的目標,以前曾討論「現有人機互動局限了玩家在虛擬世界做選擇」的問題,與之相對,歷經數十年演變的遊戲畫面,到這個世代似乎已走到極限。

畢竟,我們從 2D 進展到 3D、從 480P 標清走進 4K 乃至 8K 超高清,當初滿螢幕的馬賽克早已精確到人臉建模能數得清毛孔和髮絲,原本生硬的軀幹動作也基於動捕系統的流暢映射而幾可亂真。

但這幅拼圖其實還少了一部分,就是光線。

▲ 左邊為光柵化原理,右邊則是光線追蹤路徑。

過去,人們一直靠「光柵化」技術渲染物體,好比將電腦螢幕當成攝影鏡頭,「光柵化」技術就是將遊戲的 3D 場景和光影轉化為 2D 平面的畫素點,你看到的反射、陰影等效果,是靠後期加工或其他預渲染技術模擬的,效果生硬不說,也不完全符合現實世界的真實光線運作規則。

光線追蹤顧名思義,就是獲得追蹤光線路徑的能力,並藉助演算法處理、構建更逼真的光影效果。

比如在鏡子前刷牙,天花板的燈光打在人臉上,然後透過皮膚反射到鏡子,鏡子又會再反射,最終才會到達雙眼,可以說,被反射的對象也會影響看到的光線效果,這就是需要追蹤的光線路徑。

但完全從光源開始追蹤仍不實際,那意味著需要考慮很多條路徑,包括玩家看不到的部分,比較省資源的方法是從玩家視角出發,反向追蹤只會與玩家視線相交的光線路徑,就能有效降低計算壓力。

嚴格意義來說,光線追蹤技術並不是近幾年才興起的技術。早在 1972 年,紐約 MAGI 公司就曾開發名為 SynthaVision 的軟體,用於追蹤核輻射放射源頭,已涉及一部分光線追蹤概念。

此後,這項技術引入電影和影集 CGI 製作領域,原本追蹤核輻射的方法則轉換成追蹤光線,1982 年的迪士尼電影《創:光速戰記》已經能看到應用。

雖然過去 30 多年,光線追蹤已在電影和動畫製作扮演重要的角色,比如皮克斯旗下多部動畫,但電影的呈現方式在非互動性,所以製作時可透過大量伺服器,離線先將畫面渲染好,然後再輸出即可。

遊戲卻不同,既然是即時人機互動,意味著遊戲廠商無法效仿電影業的做法,而只能透過「即時渲染」的方式計算每幀畫面,背後代表著龐大的計算量。

以去年首批支援光線追蹤的《戰地風雲 5》為例,只要開啟光線追蹤,基本都會出現 20%~30% 幀率下降,等於犧牲性能換取好畫面,頂級顯卡尚且如此,更不要說那些連 60 幀都無法保證的中低階設備。

另外,就算算力支援,讓光線追蹤技術完全取代光柵化渲染仍不實際,短期內,遊戲業依舊使用混合渲染,讓光線追蹤重點渲染有直覺效果的場景。

反映到遊戲,便是爆炸後的火焰效果,以及大理石地板與積水這類能體現光線反射的場景,你才會肉眼感受到光線追蹤技術的特性,這種從「好」到「更好」的改變,似乎與原本所說的「重新定義遊戲畫面」相差甚遠。

事實上,光線追蹤調整的部分,和人物變得更精細、場景可破壞度更高並沒有太大關聯。如果遊戲本身已採用很成熟的光柵化特效,光線追蹤更像糾正原本錯誤繪製且不自然的光影,但對大部分不了解光學路徑的玩家來說,可能不會察覺這種原本就有的「BUG」。

想扭轉玩家的慣性認知,意味著光線追蹤技術需要大範圍普及,而這與遊戲開發商的支援力度息息相關。

我們確實看到越來越好的一面,經過今年 E3 和科隆遊戲展後,新一批 3A 遊戲對光線追蹤的態度明顯積極許多,包括《決勝時刻 4:現代戰爭》、《電馭叛客 2077》和《看門狗:自由軍團》等作品,都透過大場景展示強調光線追蹤技術對畫面的影響,大有成為主流作品標配的趨勢。

而《當個創世神》的展示更脫胎換骨。Digital Foundry 指出,《當個創世神》並未停留在反射、環境光遮蔽和全局光照等特定效果,而是提供純粹的路徑追蹤。這意味著幾乎沒有使用太多傳統光柵化,而是直接還原光線自身傳播方式,並展現與其他材質物體的相互作用。

當然,如開頭所說,這和《當個創世神》使用的簡單建模也有很大關係,不過展示片依舊能看到大量高清化的紋理材質,光線照射到金屬、大理石和積水 3 種表面會展現不同效果。

除此之外,微軟和 Sony 也都宣布,下一世代遊戲機都會從硬體層面支援即時光線追蹤,預計由 AMD 圖形晶片驅動。

有了兩大主機平台表態,以畫面為主打賣點的遊戲開發商就很難再保持觀望了。畢竟從遊戲開發者的角度說,一項新技術能否成為主流不僅取決於革新性,也要考慮玩家獲取成本和內容多寡。如果能出現在所有玩家手中,內容方的支援顯然十分必須。

開發《暴雨殺機》、《底特律:變人》的 Quantic Dream 公司 CEO 大衛‧凱奇(David Cage)近期接受 GameSpot 採訪時也表示,他希望開發商能跟進光照技術演變,而不只是追求解析度。

「過去我們追求圖像多邊形的數量,然後變成著色器和紋理,現在輪到光線了。雖然大家都在談論像 8K 這類解析度提升,但我寧願把注意力放在反射、陰影等光影效果,這將改變我們對光線的理解,讓人類進入更寫實的虛擬世界。」

我們距離真實的遊戲世界,又近了一步。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:NVIDIA

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