性能炸裂却无支持游戏 光线追踪何时才能普及？

最近NVIDA RTX系列显卡的发布可谓是给沉寂已久的显卡市场掀起了新的波澜。RTX系列显卡再次刷新了游戏显卡的性能上限，玩家们纷纷高呼老黄又带来了新核弹。而这枚核弹最大的威力，并不在于传统游戏性能的提升上，而在于带来了全新的光线追踪加速技术。无论是从技术原理的角度来看，还是在某些演示中来看，光线追踪的确给游戏画面能带来质的提升，游戏画面拟真度一定程度上媲美电影，似乎已经不是遥不可及的梦。


如果你对游戏的相关图形技术有所了解，应该会知道游戏画质已经很久没有实质上的提高了。PS3/Xbox360时代开始出现的法线贴图、环境光遮蔽、动态光照、体积光等，当今依然是提升游戏画质的法宝。时至今日，游戏的建模越来越精细，贴图越来越高清，但观感上始终和电影特效有着天堑般的落差。而RTX显卡的出现，让游戏画面再度进化成为了可能。那么问题来了，显卡已经开始支持光线追踪加速，次时代的游戏画面何时才会走进千万家？使用光线追踪技术的游戏，明年能够大面积普及吗？今天就来谈谈相关的话题吧。


游戏画面已经多年止步不前？

在谈论光线追踪技术普及之前，我们先来了解一下当前游戏相关的图形技术，说说为什么光线追踪能给游戏画面带来本质上的提升。

目前的游戏让3D图形呈现在玩家面前，所使用的技术叫“光栅化”。光栅化是一个比较抽象的概念，大家可以简单理解为3D图形的2D化，将3D模型拍扁了，就变成2D了——我们在显示器看到的画面是2D的嘛。游戏进行3D建模（矢量图形）后，将模型投射到屏幕的2D像素点上（光栅化），3D矢量图变成了2D的位图，这就是大家在显示器看到的画面。


在这个过程当中，矢量图形变为栅格位图，位图大小以像素点数量来衡量，因此分辨率越高、处理越复杂（例如抗锯齿）对显卡光栅单元ROPs要求越高。因此大家可以观察到，ROPs比较少的显卡，在高分辨率和高倍抗锯齿下跑游戏，性能不尽如人意。

要让游戏画面变得逼真，除了建模精准以外，还需要明暗/颜色精准，不然画面就只是白花花的一片剪影，谁也看不出那到底是啥。而游戏画面的着色，是在Raster Operations也就是光栅操作过程当中完成的。在光栅化的过程当中，会为2D图像的像素分配额外的信息，例如深度、颜色等等，接着显卡再根据这些信息给像素进行渲染上色，最后我们就可以看到立体的图像了。


换言之，游戏画面的光栅化渲染着色，大致相当于是以3D建模为依据，描绘出了2D的线稿（形状），然后再根据各种信息往稿子里面填色。基于这个原理，很难做出非常拟真的光影效果。目前大家在游戏当中看到的光影效果，往往是利用光照贴图（Lightmap）来模拟的。举一个很简单的过程作为例子，例如某片像素的深度信息告诉电脑，这里能不能被光线照到，然后电脑就决定为这片像素贴上半透明的黑色/白色的光影贴图，模拟出阴影/亮面，就形成了简单的光影效果。


很多情况下，游戏中的光照贴图是预先烘焙好的，也就是说光影并不是实时计算出来的。尽管很多游戏带有灯照、火光乃至天气之类的系统，光影会产生变化，但这依然只是预先渲染好的光照贴图，只是根据不同的情况贴不同的图而已。

例如近几年流行的环境光遮蔽，实际使用的往往是带有指向性的光照贴图；而体积光，则可以简单看做是带半透明模糊处理过的贴片；而物体表面凹凸不平造成的高光和阴影，实则是法线贴图模拟的。这些手段都可以提升画质，但从原理来看也只是花式贴图而已。基于此，游戏画质已经很久没有出现质的突破了。

光线追踪能给游戏画质带来质的提升？

用贴图来模拟光影，这让游戏画面的光影效果有很大的局限。例如，我们知道在不同角度看一个物体，它的光影很有可能不一样，典型的例子就是镜面/水面反射。但由于目前游戏的光影不是即时计算的，因此很难做出完美的模拟——想必大家也没在游戏中见过打碎一块镜子，玻璃碎片还都能继续当镜子用的情况；而现在很多游戏虽然做出了水面倒影，但在某些角度倒影会消失不见，这些案例就是这个道理了。


再例如，目前的光照贴图对漫反射的模拟也并不出彩。如果大家有接触绘画，应该知道写实绘画不仅需要考虑物体的固有色，还要考虑光源色和环境色，其实这就是漫反射的处理，处理好了漫反射的画才足够写实、生动。但由于游戏的光影效果是贴图，因此很难对物体之间光线漫反射造成的颜色变化，进行非常精确的模拟。尽管可以通过一些像素处理技术，来模拟像素之间的颜色影响，但效果依然有限。


这几年来游戏画面越来越精细，但大家始终觉得游戏画面和现实相比，仍显得生硬，这是由于贴图始终无法完美模拟各种光线反射。游戏画面的拟真，显而易见已经遇到了瓶颈——现在的游戏画面对比的《孤岛危机》，有质变的提升么？《孤岛危机》诞生于2007年，用《孤岛危机》对比它五年前也就是2002年的游戏，再用现在的游戏对比距离现在十多年前《孤岛危机》，不能难发现最近十几年游戏画质提升之小，是远慢于之前的。而光线追踪技术，则是画质瓶颈的破局之道。


顾名思义，光线追踪技术能够追踪光线的生成、反射、遮蔽、消失，继而实时生成光影。这次，光影终于不只是用贴图贴出来的了，而是真正去模拟一束光，在场景中到底能产生怎样的色调、明暗。这样得来的光影效果，肯定比预先制作的光影贴图来得更加可信，毕竟你无法为无数种光照情况都准备相应的贴图或者贴图的变化。从原理上来看，光线追踪技术无疑能为游戏带来更高的画质上限。


在发布RTX系列显卡的时候，NV已经放出了光线追踪的演示，效果大家也有目共睹。开启了RTX光线追踪后，车门能给实时映射出火光，而水面也能随时随刻映射出倒影。而关闭了光线追踪后，车门的火光水面的倒影皆消失殆尽，一切都变得平淡起来。

光线追踪游戏到底何时普及？

尽管RTX光线追踪的演示很精彩，但很多朋友看了却并不高兴——这只是一个演示，目前市面上仍未出现使用光线追踪技术的游戏。看着大饼，凑近才知道这饼画在纸上，看着香也看着饿。RTX显卡已经正式发售，以现在的情况来看，今年涌现大量的光线追踪游戏是没什么指望的了。那么问题来了，游戏能够在近期，例如明年普及光线追踪技术吗？


很遗憾，或许情况并不是那么乐观。虽然PC在近十几年引领着游戏图形技术发展，但真正让某种图形技术走进千家万户，还得靠PlayStation、Xbox等游戏主机，这是市场所决定的。PC游戏的销量一直远小于主机游戏，尽管PC游戏会使用比主机游戏更先进的图形技术，但这些先进的图形技术如果一直没有在主机游戏当中出现，以市场的角度来看它们都仍会是非主流。

在全球范围当中，主机游戏的销量要比PC游戏多得多，例如根据VGChartz的统计，《战地4》PC版的销量仅有主机板（PS3/4+Xbox 360/One）的十分之一。对于大部分的游戏厂商来说，只有在主机平台发售游戏才是生财之道。此情此景下，游戏主机成为了大部分游戏的性能基准，直接影响这个时代的游戏会采用何种图形技术。游戏厂商何必为了销量较少的PC平台，使用成本高、未成熟的先进图形技术？这徒增成本和风险。


如果游戏厂商就是头铁，就是要不顾主机平台，而在PC平台堆砌图形技术，会有怎样的下场？《孤岛危机》可谓是前车之鉴。《孤岛危机》初代是PC平台独占，使用了大量先进的图形技术，打造出了惊为天人的画质标杆。与之相比，当时PS3、Xbox360上的游戏画质简直如同古董。然而这样的作品，销量仅有七十多万，本都回不了。于是随后的《孤岛危机2》还是劈腿到游戏机平台了，总销量一下子涨到了三百四十万左右，比1代多了四倍。但是，为了兼顾主机，《孤岛危机2》的画质对比1代有所下降，这就是主机对游戏图形技术的影响力所在。

换言之，在主机尚未能支持光线追踪之前，除了有资本玩票的大厂，恐怕大多数游戏依然不会深度应用这一图形技术。而值得一提的是，目前阶段的光线追踪游戏，实际上并不是全局使用光线追踪的。由于性能等方面的限制，光栅化仍必不可少，RTX显卡只能提供混合渲染。


如此一来，美工就显得相当关键。同样的图形技术，不同的美工打磨效果会截然不同。例如同样使用环境光遮蔽，《神秘海域4》的画面氛围就比普通3A大作高出一个档次。在什么地方使用光线追踪才会有最好的效果？对于一个新应用于游戏的图形技术，这是一个值得深究的课题。这些尝鲜的光线追踪游戏，会不会静下心来打磨美工，以让局部的光线追踪发挥出应有的潜能？如果厂商对于光线追踪的态度只是卖噱头，恐怕最终成品并不如人意。


另外，虽然微软已经公布了DXR API，在DX12当中支持了光线追踪，但仍未制定相应的硬件规范。尽管Xbox主机也使用DX API，但其使用的AMD图形芯片并不支持光线追踪加速，如果主机游戏在现阶段使用光线加速，效率非常不理想。目前只有NV的RTX显卡能提供硬件层面的光线追踪加速，而众所周知NV在主机市场并没有太大的影响力。因此，光线追踪游戏何时能够普及，恐怕主要得看AMD何时跟进，并推出并能在主机平台上广泛应用的光线追踪加速方案。

总结：

毫无疑问，对于游戏而言光线追踪是革命性的图形技术。但一种图形技术在何时普及，不仅需要硬件厂商自身的研发，也要考虑历史的进程。希望业界能够迅速跟进光线追踪技术，让游戏画质跨入新时代吧！

来源：PConline
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