夜光工作室惊为天人的技术演示《后台》解析：路径追踪技术的实践

作者：西川善司篝火营地2019-10-15

随着不久前 PS5 的正式公布，大家对于次时代主机讨论的热情可以说是如日中天。那么除了机器硬件升级能带来的画面提升之外，开发者们在次时代又能在画面上实现怎样怎样的突破呢？来看看日本著名硬件内容的撰稿人西川善司在本周的《Fami 通》杂志上公开的对于夜光工作室最新技术演示《后台》的相关解读吧。

从目前已知的情报中，我们已经可以确定 PS5 和次时代的 Xbox 主机（以下均简称为次时代主机）的显卡芯片（GPU）都将搭载光线追踪的功能。前段时间我们已经对于光线追踪会对次时代主机产生怎样的影响进行了解析。而在 2019 年 9 月在日本横滨举办的 CEDEC 2019 大会上，SE 旗下的夜光工作室（Luminous Productions）公布了一段展现次时代游戏画面的技术演示 DEMO 《后台》（Back Stage），在业界引起了巨大的反响。

这段演示 DEMO 是在 CEDEC 2019 现场准备的 PC 上进行实时演示的，演示过程中（操纵者）可以直接改变视角以及主要角色的服饰和声音。

*注：以下内容推荐在阅读过搭载「光线追踪」技术的次时代主机会有怎样的画面表现？该文章之后再进行阅读，其中部分未详细解释的专业术语在该文章中会有一定的介绍。

仅用路径追踪渲染出的《后台》

该技术演示 DEMO 名为《后台》，主要展示了一位年轻女性在镜子面前进行化妆的过程。在最后一个场景中我们能够看到女子眼角流下了泪水，随即轻轻呼气给镜子蒙上了一层水雾并在镜子上画了什么，最后便像是下定决心了一般从座位前离开……《后台》就如其名字一样，展现的是剧场后台的景象。而女子离开后，演示也以她在镜子上所描绘的图案，也就是夜光工作室的 LOGO 渐渐浮现而结束。

值得一提的是，该演示运用的并不是光线追踪技术，而是使用我们在先前的文章中提到过的路径追踪技术，而且制作周期仅仅花费了 3 个月，这在现场也引发了热烈的讨论。

我们先前曾经预测过次时代主机并不会全面使用光线追踪来进行画面的渲染，大部分的内容还是使用传统的栅格化渲染。仅仅只有在使用栅格化渲染时画面品质会有明显下降，以及难以表现「阴影」、「间接光源」（包括环境对于光的阻挡）、「镜像」等特定情况下才会使用光线追踪技术。

然而这次公布的 DEMO 《后台》，（夜光工作室）却表示「全程未使用栅格化渲染，而且不是光线追踪，是仅使用路径追踪来完成的」，这可以说震撼了整个业界也不为过。

如何做到实时演算的路径追踪渲染画面？

路径追踪在理论上是指由各像素点向全方位发射出无数根光线来进行光线追踪渲染的在光线追踪技术之上的更高级概念。但是在现实世界中是不可能射出无限数量的光线的，因此目前是以随机向多个方向射出光线的形式予以呈现。在电影等使用非实时演算 CG 的场合中，使用路径追踪射出上百根光线进行实践的话，每一帧画面的渲染时间甚至会从几分钟到几百小时不等。

而这一次的 DEMO 是在一台搭载了 1 块英伟达的「RTX 2080 Ti」显卡的高配置 PC 上运行的。虽然这已经是目前最高性能级别的 GPU，但是是否也说明了只凭单独的 1 张显卡就有可能实现「仅靠路径追踪渲染」的 CG 图像呢？

事实上，该演示的制作时采用了非常大胆的简略型路径追踪手法。本来路径追踪是需要射出大量光线的，但本作却仅仅使用一根光线作为直接照射光线。而且在场景中存在的多个光源中，也只着重处理了影响最大的光源。

对镜子内镜像生成起到巨大作用的镜面反射探索光线和对间接光源有着很大影响的扩散反射探索光线也都只启用了一根。当然，根据光线起点像素的材质，以及光线遭遇其他物体时因为其材质特性而产生的冲突等情况，是有可能再发射出更多光线的。不过制作组还是对每一个像素点射出的光线做出了不得多于 20 条的限制。

仅凭这种简易的路径追踪技术渲染出来的图像有着很大的误差，画面上可能会出现很多噪点。关于这一点，该演示其实是得到了英伟达方面的协助，他们特地为本作开发了专用的降噪技术（对噪点进行过滤处理）来对存在噪点的图像进行修正。

*专用的降噪技术：在《后台》DEMO 中采用的降噪技术并不是对路径追踪引擎已经渲染出的图像进行降噪处理，而是将同一引擎渲染出的光照效果分为直接光和间接光两个部分，然后通过算法对其产生的「扩散反射成分」和「镜面反射成分」分别进行降噪处理。

降噪处理前

降噪处理后

通过运用上述这种进行了大胆「缩水」的路径追踪技术加上降噪技术的辅助，我们才得以看到以 1080P 分辨率 30 帧运行的《后台》DEMO。

路径追踪技术有可能运用到次时代主机上吗？

从本次的《后台》DEMO 中我们可以看到以研究尖端技术和开发全新游戏为目标的夜光工作室目前的一部分成果。而路径追踪技术将作为夜光工作室自行研发的游戏引擎「夜光引擎」（Luminous Engine）功能的一部分，运用在该引擎开发的后续游戏之中。相信夜光工作室会在不远的将来给我们带来一款使用了世界最高水准的实时渲染 CG 技术打造的震撼作品。