夜光工作室驚為天人的技術演示《後臺》解析：路徑追蹤技術的實踐

從目前已知的情報中，我們已經可以確定 PS5 和次時代的 Xbox 主機（以下均簡稱為次時代主機）的顯示卡晶片（GPU）都將搭載光線追蹤的功能。前段時間我們已經對於光線追蹤會對次時代主機產生怎樣的影響進行了解析。而在 2019 年 9 月在日本橫濱舉辦的 CEDEC 2019 大會上，SE 旗下的夜光工作室（Luminous Productions）公佈了一段展現次時代遊戲畫面的技術演示 DEMO 《後臺》（Back Stage），在業界引起了巨大的反響。

這段演示 DEMO 是在 CEDEC 2019 現場準備的 PC 上進行實時演示的，演示過程中（操縱者）可以直接改變視角以及主要角色的服飾和聲音。



*注：以下內容推薦在閱讀過搭載「光線追蹤」技術的次時代主機會有怎樣的畫面表現？該文章之後再進行閱讀，其中部分未詳細解釋的專業術語在該文章中會有一定的介紹。

僅用路徑追蹤渲染出的《後臺》

該技術演示 DEMO 名為《後臺》，主要展示了一位年輕女性在鏡子面前進行化妝的過程。在最後一個場景中我們能夠看到女子眼角流下了淚水，隨即輕輕呼氣給鏡子蒙上了一層水霧並在鏡子上畫了什麼，最後便像是下定決心了一般從座位前離開……《後臺》就如其名字一樣，展現的是劇場後臺的景象。而女子離開後，演示也以她在鏡子上所描繪的圖案，也就是夜光工作室的 LOGO 漸漸浮現而結束。

值得一提的是，該演示運用的並不是光線追蹤技術，而是使用我們在先前的文章中提到過的路徑追蹤技術，而且製作週期僅僅花費了 3 個月，這在現場也引發了熱烈的討論。


我們先前曾經預測過次時代主機並不會全面使用光線追蹤來進行畫面的渲染，大部分的內容還是使用傳統的柵格化渲染。僅僅只有在使用柵格化渲染時畫面品質會有明顯下降，以及難以表現「陰影」、「間接光源」（包括環境對於光的阻擋）、「映象」等特定情況下才會使用光線追蹤技術。

然而這次公佈的 DEMO 《後臺》，（夜光工作室）卻表示「全程未使用柵格化渲染，而且不是光線追蹤，是僅使用路徑追蹤來完成的」，這可以說震撼了整個業界也不為過。

如何做到實時演算的路徑追蹤渲染畫面？

路徑追蹤在理論上是指由各畫素點向全方位發射出無數根光線來進行光線追蹤渲染的在光線追蹤技術之上的更高階概念。但是在現實世界中是不可能射出無限數量的光線的，因此目前是以隨機向多個方向射出光線的形式予以呈現。在電影等使用非實時演算 CG 的場合中，使用路徑追蹤射出上百根光線進行實踐的話，每一幀畫面的渲染時間甚至會從幾分鐘到幾百小時不等。


而這一次的 DEMO 是在一臺搭載了 1 塊英偉達的 「RTX 2080 Ti」顯示卡的高配置 PC 上執行的。雖然這已經是目前最高效能級別的 GPU，但是是否也說明了只憑單獨的 1 張顯示卡就有可能實現「僅靠路徑追蹤渲染」的 CG 影象呢？

事實上，該演示的製作時採用了非常大膽的簡略型路徑追蹤手法。本來路徑追蹤是需要射出大量光線的，但本作卻僅僅使用一根光線作為直接照射光線。而且在場景中存在的多個光源中，也只著重處理了影響最大的光源。

對鏡子內映象生成起到巨大作用的鏡面反射探索光線和對間接光源有著很大影響的擴散反射探索光線也都只啟用了一根。當然，根據光線起點畫素的材質，以及光線遭遇其他物體時因為其材質特性而產生的衝突等情況，是有可能再發射出更多光線的。不過製作組還是對每一個畫素點射出的光線做出了不得多於 20 條的限制。


僅憑這種簡易的路徑追蹤技術渲染出來的影象有著很大的誤差，畫面上可能會出現很多噪點。關於這一點，該演示其實是得到了英偉達方面的協助，他們特地為本作開發了專用的降噪技術（對噪點進行過濾處理）來對存在噪點的影象進行修正。

*專用的降噪技術：在《後臺》DEMO 中採用的降噪技術並不是對路徑追蹤引擎已經渲染出的影象進行降噪處理，而是將同一引擎渲染出的光照效果分為直接光和間接光兩個部分，然後通過演算法對其產生的「擴散反射成分」和「鏡面反射成分」分別進行降噪處理。



通過運用上述這種進行了大膽「縮水」的路徑追蹤技術加上降噪技術的輔助，我們才得以看到以 1080P 解析度 30 幀執行的《後臺》DEMO。

路徑追蹤技術有可能運用到次時代主機上嗎？

從本次的《後臺》DEMO 中我們可以看到以研究尖端技術和開發全新遊戲為目標的夜光工作室目前的一部分成果。而路徑追蹤技術將作為夜光工作室自行研發的遊戲引擎「夜光引擎」（Luminous Engine）功能的一部分，運用在該引擎開發的後續遊戲之中。相信夜光工作室會在不遠的將來給我們帶來一款使用了世界最高水準的實時渲染 CG 技術打造的震撼作品。


綜上所述，在 2019 的當下，我們可以說已經通過《後臺》DEMO 親身感受到了次時代腳步的臨近，而今後的更多動向也必定會繼續吸引大家的目光。


原文來源：Fami通
編譯：Bluestoon
來源：篝火營地
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