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發(fā)布時(shí)間:2018-10-15 08:37 來源:3dm 作者:未知 編輯:潘東子
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!
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