RTX光線追蹤游戲到底何時(shí)普及？

  最近NVIDA RTX系列顯卡的發(fā)布可謂是給沉寂已久的顯卡市場掀起了新的波瀾。RTX系列顯卡再次刷新了游戲顯卡的性能上限，玩家們紛紛高呼老黃又帶來了新核彈。而這枚核彈最大的威力，并不在于傳統(tǒng)游戲性能的提升上，而在于帶來了全新的光線追蹤加速技術(shù)。

  無論是從技術(shù)原理的角度來看，還是在某些演示中來看，光線追蹤的確給游戲畫面能帶來質(zhì)的提升，游戲畫面擬真度一定程度上媲美電影，似乎已經(jīng)不是遙不可及的夢。

  如果你對游戲的相關(guān)圖形技術(shù)有所了解，應(yīng)該會(huì)知道游戲畫質(zhì)已經(jīng)很久沒有實(shí)質(zhì)上的提高了。

  PS3/Xbox360時(shí)代開始出現(xiàn)的法線貼圖、環(huán)境光遮蔽、動(dòng)態(tài)光照、體積光等，當(dāng)今依然是提升游戲畫質(zhì)的法寶。

  時(shí)至今日，游戲的建模越來越精細(xì)，貼圖越來越高清，但觀感上始終和電影特效有著天塹般的落差。而RTX顯卡的出現(xiàn)，讓游戲畫面再度進(jìn)化成為了可能。

  那么問題來了，顯卡已經(jīng)開始支持光線追蹤加速，次時(shí)代的游戲畫面何時(shí)才會(huì)走進(jìn)千萬家?使用光線追蹤技術(shù)的游戲，明年能夠大面積普及嗎?今天就來談?wù)勏嚓P(guān)的話題吧。

  游戲畫面已經(jīng)多年止步不前?

  在談?wù)摴饩€追蹤技術(shù)普及之前，我們先來了解一下當(dāng)前游戲相關(guān)的圖形技術(shù)，說說為什么光線追蹤能給游戲畫面帶來本質(zhì)上的提升。

  目前的游戲讓3D圖形呈現(xiàn)在玩家面前，所使用的技術(shù)叫“光柵化”。光柵化是一個(gè)比較抽象的概念，大家可以簡單理解為3D圖形的2D化，將3D模型拍扁了，就變成2D了——我們在顯示器看到的畫面是2D的嘛。

  游戲進(jìn)行3D建模(矢量圖形)后，將模型投射到屏幕的2D像素點(diǎn)上(光柵化)，3D矢量圖變成了2D的位圖，這就是大家在顯示器看到的畫面。

  在這個(gè)過程當(dāng)中，矢量圖形變?yōu)闁鸥裎粓D，位圖大小以像素點(diǎn)數(shù)量來衡量，因此分辨率越高、處理越復(fù)雜(例如抗鋸齒)對顯卡光柵單元ROPs要求越高。因此大家可以觀察到，ROPs比較少的顯卡，在高分辨率和高倍抗鋸齒下跑游戲，性能不盡如人意。

  要讓游戲畫面變得逼真，除了建模精準(zhǔn)以外，還需要明暗/顏色精準(zhǔn)，不然畫面就只是白花花的一片剪影，誰也看不出那到底是啥。

  而游戲畫面的著色，是在Raster Operations也就是光柵操作過程當(dāng)中完成的。

  在光柵化的過程當(dāng)中，會(huì)為2D圖像的像素分配額外的信息，例如深度、顏色等等，接著顯卡再根據(jù)這些信息給像素進(jìn)行渲染上色，最后我們就可以看到立體的圖像了。

  一個(gè)簡單的渲染流程示意圖：確定3D頂點(diǎn)→3D建?！鈻呕袼刂?D圖像

  換言之，游戲畫面的光柵化渲染著色，大致相當(dāng)于是以3D建模為依據(jù)，描繪出了2D的線稿(形狀)，然后再根據(jù)各種信息往稿子里面填色。

  基于這個(gè)原理，很難做出非常擬真的光影效果。目前大家在游戲當(dāng)中看到的光影效果，往往是利用光照貼圖(Lightmap)來模擬的。

  舉一個(gè)很簡單的過程作為例子，例如某片像素的深度信息告訴電腦，這里能不能被光線照到，然后電腦就決定為這片像素貼上半透明的黑色/白色的光影貼圖，模擬出陰影/亮面，就形成了簡單的光影效果。

  很多情況下，游戲中的光照貼圖是預(yù)先烘焙好的，也就是說光影并不是實(shí)時(shí)計(jì)算出來的。盡管很多游戲帶有燈照、火光乃至天氣之類的系統(tǒng)，光影會(huì)產(chǎn)生變化，但這依然只是預(yù)先渲染好的光照貼圖，只是根據(jù)不同的情況貼不同的圖而已。

  例如近幾年流行的環(huán)境光遮蔽，實(shí)際使用的往往是帶有指向性的光照貼圖;而體積光，則可以簡單看做是帶半透明模糊處理過的貼片;而物體表面凹凸不平造成的高光和陰影，實(shí)則是法線貼圖模擬的。

  這些手段都可以提升畫質(zhì)，但從原理來看也只是花式貼圖而已。基于此，游戲畫質(zhì)已經(jīng)很久沒有出現(xiàn)質(zhì)的突破了。

  光線追蹤能給游戲畫質(zhì)帶來質(zhì)的提升?

  用貼圖來模擬光影，這讓游戲畫面的光影效果有很大的局限。例如，我們知道在不同角度看一個(gè)物體，它的光影很有可能不一樣，典型的例子就是鏡面/水面反射。

  但由于目前游戲的光影不是即時(shí)計(jì)算的，因此很難做出完美的模擬——想必大家也沒在游戲中見過打碎一塊鏡子，玻璃碎片還都能繼續(xù)當(dāng)鏡子用的情況;而現(xiàn)在很多游戲雖然做出了水面倒影，但在某些角度倒影會(huì)消失不見，這些案例就是這個(gè)道理了。

  再例如，目前的光照貼圖對漫反射的模擬也并不出彩。如果大家有接觸繪畫，應(yīng)該知道寫實(shí)繪畫不僅需要考慮物體的固有色，還要考慮光源色和環(huán)境色，其實(shí)這就是漫反射的處理，處理好了漫反射的畫才足夠?qū)憣?shí)、生動(dòng)。

  但由于游戲的光影效果是貼圖，因此很難對物體之間光線漫反射造成的顏色變化，進(jìn)行非常精確的模擬。盡管可以通過一些像素處理技術(shù)，來模擬像素之間的顏色影響，但效果依然有限。

  這幾年來游戲畫面越來越精細(xì)，但大家始終覺得游戲畫面和現(xiàn)實(shí)相比，仍顯得生硬，這是由于貼圖始終無法完美模擬各種光線反射。

  游戲畫面的擬真，顯而易見已經(jīng)遇到了瓶頸——現(xiàn)在的游戲畫面對比的《孤島危機(jī)》，有質(zhì)變的提升么?

  《孤島危機(jī)》誕生于2007年，用《孤島危機(jī)》對比它五年前也就是2002年的游戲，再用現(xiàn)在的游戲?qū)Ρ染嚯x現(xiàn)在十多年前《孤島危機(jī)》，不能難發(fā)現(xiàn)最近十幾年游戲畫質(zhì)提升之小，是遠(yuǎn)慢于之前的。而光線追蹤技術(shù)，則是畫質(zhì)瓶頸的破局之道。

  2007年的《孤島危機(jī)》畫面，現(xiàn)在的游戲?qū)Ρ冗@十年前的游戲，畫質(zhì)并沒有質(zhì)的突破

  顧名思義，光線追蹤技術(shù)能夠追蹤光線的生成、反射、遮蔽、消失，繼而實(shí)時(shí)生成光影。

  這次，光影終于不只是用貼圖貼出來的了，而是真正去模擬一束光，在場景中到底能產(chǎn)生怎樣的色調(diào)、明暗。

  這樣得來的光影效果，肯定比預(yù)先制作的光影貼圖來得更加可信，畢竟你無法為無數(shù)種光照情況都準(zhǔn)備相應(yīng)的貼圖或者貼圖的變化。從原理上來看，光線追蹤技術(shù)無疑能為游戲帶來更高的畫質(zhì)上限。

  在發(fā)布RTX系列顯卡的時(shí)候，NV已經(jīng)放出了光線追蹤的演示，效果大家也有目共睹。

  開啟了RTX光線追蹤后，車門能給實(shí)時(shí)映射出火光，而水面也能隨時(shí)隨刻映射出倒影。而關(guān)閉了光線追蹤后，車門的火光水面的倒影皆消失殆盡，一切都變得平淡起來。

  光線追蹤游戲到底何時(shí)普及?

  盡管RTX光線追蹤的演示很精彩，但很多朋友看了卻并不高興——這只是一個(gè)演示，目前市面上仍未出現(xiàn)使用光線追蹤技術(shù)的游戲。

  看著大餅，湊近才知道這餅畫在紙上，看著香也看著餓。RTX顯卡已經(jīng)正式發(fā)售，以現(xiàn)在的情況來看，今年涌現(xiàn)大量的光線追蹤游戲是沒什么指望的了。那么問題來了，游戲能夠在近期，例如明年普及光線追蹤技術(shù)嗎?

  很遺憾，或許情況并不是那么樂觀。雖然PC在近十幾年引領(lǐng)著游戲圖形技術(shù)發(fā)展，但真正讓某種圖形技術(shù)走進(jìn)千家萬戶，還得靠PlayStation、Xbox等游戲主機(jī)，這是市場所決定的。

  PC游戲的銷量一直遠(yuǎn)小于主機(jī)游戲，盡管PC游戲會(huì)使用比主機(jī)游戲更先進(jìn)的圖形技術(shù)，但這些先進(jìn)的圖形技術(shù)如果一直沒有在主機(jī)游戲當(dāng)中出現(xiàn)，以市場的角度來看它們都仍會(huì)是非主流。

  在全球范圍當(dāng)中，主機(jī)游戲的銷量要比PC游戲多得多，例如根據(jù)VGChartz的統(tǒng)計(jì)，《戰(zhàn)地4》PC版的銷量僅有主機(jī)板(PS3/4+Xbox 360/One)的十分之一。

  對于大部分的游戲廠商來說，只有在主機(jī)平臺發(fā)售游戲才是生財(cái)之道。此情此景下，游戲主機(jī)成為了大部分游戲的性能基準(zhǔn)，直接影響這個(gè)時(shí)代的游戲會(huì)采用何種圖形技術(shù)。

  游戲廠商何必為了銷量較少的PC平臺，使用成本高、未成熟的先進(jìn)圖形技術(shù)?這徒增成本和風(fēng)險(xiǎn)。

  如果游戲廠商就是頭鐵，就是要不顧主機(jī)平臺，而在PC平臺堆砌圖形技術(shù)，會(huì)有怎樣的下場?《孤島危機(jī)》可謂是前車之鑒。

  《孤島危機(jī)》初代是PC平臺獨(dú)占，使用了大量先進(jìn)的圖形技術(shù)，打造出了驚為天人的畫質(zhì)標(biāo)桿。與之相比，當(dāng)時(shí)PS3、Xbox360上的游戲畫質(zhì)簡直如同古董。

  然而這樣的作品，銷量僅有七十多萬，本都回不了。于是隨后的《孤島危機(jī)2》還是劈腿到游戲機(jī)平臺了，總銷量一下子漲到了三百四十萬左右，比1代多了四倍。

  但是，為了兼顧主機(jī)，《孤島危機(jī)2》的畫質(zhì)對比1代有所下降，這就是主機(jī)對游戲圖形技術(shù)的影響力所在。

  換言之，在主機(jī)尚未能支持光線追蹤之前，除了有資本玩票的大廠，恐怕大多數(shù)游戲依然不會(huì)深度應(yīng)用這一圖形技術(shù)。

  而值得一提的是，目前階段的光線追蹤游戲，實(shí)際上并不是全局使用光線追蹤的。由于性能等方面的限制，光柵化仍必不可少，RTX顯卡只能提供混合渲染。

  如此一來，美工就顯得相當(dāng)關(guān)鍵。同樣的圖形技術(shù)，不同的美工打磨效果會(huì)截然不同。例如同樣使用環(huán)境光遮蔽，《神秘海域4》的畫面氛圍就比普通3A大作高出一個(gè)檔次。

  在什么地方使用光線追蹤才會(huì)有最好的效果?對于一個(gè)新應(yīng)用于游戲的圖形技術(shù)，這是一個(gè)值得深究的課題。

  這些嘗鮮的光線追蹤游戲，會(huì)不會(huì)靜下心來打磨美工，以讓局部的光線追蹤發(fā)揮出應(yīng)有的潛能?如果廠商對于光線追蹤的態(tài)度只是賣噱頭，恐怕最終成品并不如人意。

  另外，雖然微軟已經(jīng)公布了DXR API，在DX12當(dāng)中支持了光線追蹤，但仍未制定相應(yīng)的硬件規(guī)范。

  盡管Xbox主機(jī)也使用DX API，但其使用的AMD圖形芯片并不支持光線追蹤加速，如果主機(jī)游戲在現(xiàn)階段使用光線加速，效率非常不理想。

  目前只有NV的RTX顯卡能提供硬件層面的光線追蹤加速，而眾所周知NV在主機(jī)市場并沒有太大的影響力。

  因此，光線追蹤游戲何時(shí)能夠普及，恐怕主要得看AMD何時(shí)跟進(jìn)，并推出并能在主機(jī)平臺上廣泛應(yīng)用的光線追蹤加速方案。

  總結(jié)

  毫無疑問，對于游戲而言光線追蹤是革命性的圖形技術(shù)。但一種圖形技術(shù)在何時(shí)普及，不僅需要硬件廠商自身的研發(fā)，也要考慮歷史的進(jìn)程。希望業(yè)界能夠迅速跟進(jìn)光線追蹤技術(shù)，讓游戲畫質(zhì)跨入新時(shí)代吧!