從《使命召喚》到《我的世界》，光線追蹤技術如何改變遊戲？

就在今天，由動視發行的遊戲《使命召喚：現代戰爭》（下稱《使命召喚》）就要解鎖發售了，不難想象，到時候已經預載入完畢遊戲、迫不及待的玩家們在短時間裡湧入伺服器，體驗這款一年一度射擊遊戲大作的魅力。

迫不及待的還有賣GPU的英偉達公司，在自家網站上，英偉達早早放出了針對新遊戲優化的顯示卡驅動程式，並不忘叮嚀玩家，為了保證最好的遊戲體驗，請儘早下載安裝最新版本驅動。


在英偉達內部，對《使命召喚》的期待顯然不小，一個重要的原因是，這款遊戲將支援英偉達的光線追蹤技術，它宣稱在PC上，“玩家將能體驗到沉浸式的光線追蹤陰影，高質量的效果以及PC所能達到的最快幀數”，潛臺詞是，你應該有一塊英偉達的最新顯示卡。

“我們對《使命召喚》的表現很樂觀，因為前期的遊戲測試成績非常理想，而且在PC上的體驗優勢是巨大的。比如，這次《使命召喚》不限制遊戲的最高幀數，支援多臺顯示器顯示。”一位英偉達員工告訴介面新聞，“你的顯示卡有多好，遊戲的畫面效果就會有多好。”

這意味著玩家手中的頂級RTX2080Ti顯示卡——這是英偉達支援光線追蹤的最高階顯示卡型號，俗稱“煤氣灶”——有了用武之地。

“要有光”

光線追蹤，顧名思義，就是讓我們獲得追蹤光線路徑的能力，並藉助演算法來處理、構建出更逼真的光影效果。

要在遊戲中實現這樣的效果，有一種被稱為光柵式渲染技術得到應用，但光柵渲染並不完美，它需要大量的手工設定，你所看到的反射、陰影等效果，實則是靠後期加工或是其它預渲染技術模擬出來的。而且最終的結果只能在視覺上接近真實，但並不遵循物理規律，存在著不少問題。

一個例子就是反射。在《戰地5》的戰鬥場面中，汽車、水坑和地面上熊熊燃燒著火，可是畫面裡我們卻看不到火光，採用光柵化技術實現的火光不能反射到汽車窗戶和水坑上，但通過光線追蹤技術火焰的反射效果會真實。

這不僅僅是為了創造更加完美的影象，而且還會對遊戲玩法產生根本性的影響。

想象一下，在一局《戰地5》遊戲裡，當敵人躲在街角，等待你的上鉤，但你通過地面水窪的光線反射注意到了角落中的敵人，這時，你該怎麼做？

光線追蹤技術則是模擬光線的傳播，電腦只渲染光線打到地方，因此僅需要很少的人工程式設計，相比於光柵式渲染簡便了很多。同時光線追蹤也能表現出相當真實的畫面，在光影效果的表現上甚至更強，尤其是符合物理規律的光影效果。

正如開發了《戰地》系列的DICE製作人David Sirland所說的，以前在遊戲中，"讓光線的反射真實且正確非常棘手 ”。

從開發人員的角度來說，光線追蹤為開發人員簡化了開發工作量，同時讓畫面效果看起來更好，這是一場技術推動的勝利。

“我們的RTX（顯示卡）會表現同一光源在不同材質上的效果，以前是使用生硬的貼圖。RTX還能在光強度變化時實時反映出變化，以前因為計算量大難以實現，有了RTX，一顆GPU就能完成，這是以前無法想象的，”英偉達中國區總經理張建中此前告訴介面新聞，“RTX會將遊戲畫面完全改寫，讓遊戲更加逼真。”

當然，一個圖形技術不能決定一個遊戲的最終賣座與否，但它可以讓關卡設計師和美工們有更多施展空間，把遊戲畫面做得更好，故事和劇情也更為精彩。

成為潮流

建立標準並推廣新技術從來不容易，尤其考慮到新技術繫結的產品具有排他性的情況下，這意味著提高的產品售價，和隨之增長的普及成本。

在光柵渲染時代，光影效果的模擬從計算效能的角度來看，它的代價非常的“昂貴”，超出了傳統硬體的能力範圍。


光線追蹤通過從我們的眼睛（觀景式照相機）反向追蹤光線捕捉這些效果，這種技術是 IBM 的 Arthur Appel 於 1969 年在《Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids》中首次提出的。

過去，這樣的光線追蹤計算是電影製作的專屬，在電影製片廠強大的工作站可以配備高階顯示卡，這會非常的耗電，它可以不計時間成本和功耗來在本地構建場景中所需要的光線情況。因此，以一個可以接受的幀數渲染光線渲染正確的遊戲影象，成本十分高昂。

直到2018年，在英偉達推出圖靈核心後，聯合微軟的DirectX光線追蹤API，實現光線追蹤的成本和效率變得可以接受，這項技術的普及有了進一步可能。

實現實時光線追蹤效果的原因是，在圖靈架構RTX GPU上，傳統的光柵化計算硬體和專用的晶片相結合，專門設計用於加速一些光線追蹤的計算。

當然，不提供相應的圖形介面和軟體的硬體是沒有用的，隨著微軟在2019年正式對支援光線追蹤的遊戲提供圖形介面支援，舊款顯示卡也有了開啟光線追蹤的能力。

在圖形技術進步和硬體效能增強的技術變革點上，有一點可以肯定，下一代遊戲主機和雲遊戲帶來的架構、商業模式變革，光線追蹤將成為主流技術，成為下一代圖形技術的標配。

微軟和索尼都已經宣佈，各自的下一代遊戲機(預計將於2020年推出)將納入基於硬體的實時光線追蹤支援。有趣的是，這兩款裝置都將由AMD設計的gpu驅動，這強烈暗示AMD將把實時光線追蹤硬體技術引入下一代AMD顯示卡。

最近英特爾也宣佈，將在2020年推出的Xe獨立顯示卡，重回光線追蹤的世界。

即使中國公司在這場技術競爭中也沒有落後，圖形晶片設計公司Imagination在近年5月宣佈，開始提供其PowerVR光線追蹤技術授權，該公司的光線追蹤方案更適用於手機等低能耗的移動裝置。

實時光線追蹤任重而道遠，但它的發展勢頭還在增長。最真實的反應可能來自現在最堅定的鼓吹者英偉達。

在去年推出第一代RTX顯示卡後，英偉達曾面臨一些批評，因為許多流行的PC遊戲對實時光線追蹤的支援有限。

現在，在主打光線追蹤的RTX系列顯示卡釋出一週年以後，前期顯得有些匱乏的光線追蹤支援遊戲陣容有了豐富的跡象。

目前看來，支援光線追蹤的遊戲正在變多，包括即將到來的《賽博朋克2077》《看門狗：軍團》《使命召喚：現代戰爭》等，國產遊戲方面，我們還會等來《重生：邊緣》和《光明記憶》。

英偉達還計劃為更多3D老遊戲帶來光線追蹤效果，通過光影的魅力，讓遊戲產生驚豔且脫胎換骨的，除了經典遊戲《毀滅戰士》，《我的世界》也將迎來光線追蹤技術升級。


《我的世界》遊戲本身的建模並不複雜，能讓人能更直觀地感受到動態光線與四周環境產生的互動作用。

“我花費大量時間說服一些滿腹狐疑的記者和意見領袖們，讓他們相信光線追蹤是遊戲產業的下一場重大變革。”英偉達公關Brian Burke說，“別告訴我老闆，我的工作突然間輕鬆不少。”


作者：彭新
來源：介面
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