沒有這項技術，《賽博朋克2077》就算殘廢？

一拖再拖的賽博朋克2077還沒發售，就多次衝上了熱搜，愛玩遊戲的小夥伴們紛紛表示要剁手，而小編卻只能摸著癟癟的錢包，暗自興嘆。

但是該白嫖還是得白嫖，看別人打遊戲什麼的還是最舒服了。


說到賽博朋克風格，這個遊戲，算是一劑賽博朋克的猛藥，可以讓你一次性賽博朋克個夠。黑夜裡迷幻的霓虹燈燈管與資訊科技爆炸的科技時代、鱗次櫛比的高樓大廈與泥濘錯亂的街道、繁華的都市和角落裡難以喘息的貧民窟產生奇妙的化學反應。


在迷幻眩暈的霓虹燈街區，未來科技充斥在斑駁的光影中。要是不開啟光線追蹤（Ray tracing），這款遊戲的體驗會大打折扣。不管高配玩家還是低配玩家，開啟遊戲、都會暗戳戳想嘗試一番，顯示卡沒到要求，遊戲介面就掉幀嚴重，即便如此玩家們都前赴後繼地給自己的配置找點X數。

01  賽博朋克：霓虹燈科幻

上個世紀六七十年代，賽博朋克帶著對飛速發展的科技的反思，出現在了科幻文學作品中。“Cyberpunk”結合了“Cyber”（電腦的，網路的）和“punk”（朋克，代表反叛、不滿與自由），被翻譯成“賽博朋克”。這個詞一半是控制，一半是反控制，本身就是一個矛盾且衝突的存在。

賽博朋克核心議題是“High Tech Low Life”。“High Tech”融合了目前人類社會幾乎所有的對前沿科技的幻想，所以在這款遊戲中你可以看到生物安裝機械義體，從而達到機械飛昇，此外還有生物克隆和人工智慧等。不過這些技術，正在逐步變為現實啦！“Low Life”則代表了與“High Tech”形成鮮明對比的人的“落後”。


賽博朋克藝術中，幾乎不使用自然光源。在這種情況下代表商業中最陳舊和原始的宣傳方案的霓虹燈，成為了賽博朋克視覺藝術中的重要表現符號。之前我們也講過霓虹燈的發光原理，感興趣的大家可以點選連結檢視。這種散點式的、不穩定的、區域性的照明方法，搭配上高飽和度的燈光（橙色、紅色、藍色、綠色、紫色），是小編對賽博朋克藝術和文化最直觀的印象。

這麼強調光影的賽博朋克，自然在遊戲製作中，在光影處理中肯定是要High Tech啦~

02 圖形渲染中的Low Tech

渲染技術裡與光線追蹤對應的的Low Tech就是指光柵化渲染，這是一種用二維的方法，通過對畫素進行的顏色變化，模擬出陰影等立體效果的技術。可以想象成每一個場景都是在拍一個照片，將看到的顏色反映在照片的畫素點上。這就和實驗室裡常見的電子顯微鏡逐點成像類似。

如果我們看到的是一個小球，這個小球整體的顏色雖然是黃色。但是在背向光源的一側，會產生陰影，拍照時這個部位的畫素就會被渲染成灰色，讓我們看起來彷彿看到了一個立體的小球。


然而對於一個具有釉面反射的物體，想要模擬出最真實的光影效果，在光柵化渲染中，可能就需要用很複雜的演算法，而且通常這些演算法都不是最真實的只是為了模擬而模擬，根本不能渲染出接近真實世界的效果，特別是在光的反射裡。額，當然也可以很簡單。


而且在鏡面反射中，最常用的做法就是在鏡子的對面再建一個相同場景的模型，這對於遊戲來說是非常高的成本。要是場景中有什麼碎玻璃，多個鏡子的場景，建模根本建不過來。（倒吊人直呼內行）


這種渲染是全域性的，也是“一勞永逸”的，但是這一勞可能就是好幾年，前期工作量非常大，渲染過程中需要不斷地優化各種視角的視覺效果。遊戲過程中需要首先計算出整個場景中光影效果，之後再讀取該視角下的影像即可。你可以想象高中考試的時候，老師出了一道選擇題（要某個視角下拍的照片），飛速計算了一頁草稿紙（全域性運算），然後就為了選個C（照片）。


03 光線追蹤技術：賽博朋克2077的High Tech

而光線追蹤技術，便開始接近真實的物理世界。與光柵渲染相比，這更是一種一勞永逸的方法，只需要建立合適的模型（這包含法向位置等，表面材質相關的引數等），計算機在想要拍照片的時候不再是被動的接收光，而是向物體發射若干條光線。這些光線會在視野內的物體上進行反射，散射，折射，直到到達光源或者反射到規定次數。


在這過程中就能反映出其他物體或者光線對物體表面顏色的影響了。這些光線彼此不知道對方，但卻知道整個場景的資訊。


1980年Turner Whitted發表了論文提出了最經典的光線追蹤渲染方法。可以看到，眼睛射出的光線，經過了兩次折射一共獲得了模型中三個點的光影資訊，或許它還可以獲取更多，但實際上這已經比光柵渲染真實很多了。這可不是什麼時間反演，其實主要是基於物理學中，光路可逆的規律，與其計算全域性的光路圖，不如只計算我所希望看到的那一部分畫素顏色。


再拿高中考試舉例子，這就好比一個不講學德的小夥子，看到這一道選擇題，覺得好麻煩，不想算，直接進行反向騷操作，將選項裡的幾個答案都帶進原題中，反著推導一波，發現只有C能夠能夠自恰，那好就選C了。又或者根據黃金分割比要算什麼人像雕塑上身體長度，直接上尺子量不香嗎？……


為了更能夠接近真實的物理世界，尤其是釉面反射。1984年的Cook提出隨機理論，也就是分散式光線追蹤（Distribution Ray Tracing）。釉面物體上的反射光強和方向將被分散成多條光線，那麼該點的顏色也會受到多個方向的物體影響。如圖，畫素採集點反射後有三條光線，只有三分之二可以到達該場景的光源，所以該點的亮度會比完全暴露在光源下的部分暗三分之一左右，雖然不夠精確，但這同樣也是比較符合實際物理世界規律的。


通過這樣的辦法能夠模擬出柔和的光影、釉面的反射，能夠讓光線看起來更柔和且更真實。如果你有印象應該在生活中遇到過影子相吸的現象，原理同上，遊戲小編沒玩，但是如果渲染的好，遊戲裡想必也是有這個現象的，期待細心的讀者過來打臉（伸臉）。


圖形渲染的目標和物理世界殊途同歸——簡化，統一所有的理論便是又一次的本質飛躍。1986年提出的Kajiya式漫反射理論，可以稱之為渲染方程。

04 渲染方程：接近物理世界的處理方法


在真實生活中，光線是從四面八方發射過來的，每一點的顏色是多個路徑光色彩的疊加，那好，我們就不再只向一個點射出一個光線了，我們多射出一些光線。將收集到的資訊在一個畫素點內疊加，甚至還可以有一些位置上的偏移。這樣得到的畫質能夠消除鋸齒，使得邊緣更加柔和。

用公式化的語言可以直接表述為以下的式子：（


也就是說，我們眼睛在一個模型上所看到的顏色，受到四個方面的影響，分別是模型自身發光、模型受到光照的情況、模型的材質（即反射能力）和模型的朝向。可以看到和模型與接收光作用的這一項包括了後三者，並將這三者的影響進行球面上的積分，從而綜合得到了整個空間的光線對這個模型顏色的影響。這就是我們今天提到的光線追蹤的核心了。


光線追蹤在遊戲中出現也是近十年的事情，在過去光線追蹤經常用於不計成本的影視作品中，來得到良好的視覺效果。但是要知道，光在空間中的傳遞是很複雜的，這涉及到電動力學的內容。而且光的奇特現象還不止於此，像干涉，衍射，究竟能夠不能在其中體現出來，那可能就是更上一層樓的突破了。


技術的演變總是這樣，為了抽象出本質選擇了簡化的物理模型，為了更好的體驗卻又不斷地優化模型以逼近最本質的物理世界。

但是遊戲的虛擬體驗，帶給人類的幻想卻是無止境的。我們，還有路要走。

參考文獻：
[1] 季昕如,鄭泓.賽博朋克藝術的視覺美學探討[J].藝術研究,2020(05):14-15.
[2] 朱江持.設計符號學視角下的賽博朋克視覺元素探究[J].設計,2020,33(11):52-54.
[3] 光線追蹤——nvidia.cn
[4] Ray tracing (graphics)——wikipedia.org
[5] Rendering equation——wikipedia.org

作者：Kun
來源：中科院物理所
地址：https://mp.weixin.qq.com/s/g7JQ7pP2OZXQsZsbGBbp_Q