从《使命召唤》到《我的世界》，光线追踪技术如何改变游戏？

就在今天，由动视发行的游戏《使命召唤：现代战争》（下称《使命召唤》）就要解锁发售了，不难想象，到时候已经预加载完毕游戏、迫不及待的玩家们在短时间里涌入服务器，体验这款一年一度射击游戏大作的魅力。

迫不及待的还有卖GPU的英伟达公司，在自家网站上，英伟达早早放出了针对新游戏优化的显卡驱动程序，并不忘叮咛玩家，为了保证最好的游戏体验，请尽早下载安装最新版本驱动。


在英伟达内部，对《使命召唤》的期待显然不小，一个重要的原因是，这款游戏将支持英伟达的光线追踪技术，它宣称在PC上，“玩家将能体验到沉浸式的光线追踪阴影，高质量的效果以及PC所能达到的最快帧数”，潜台词是，你应该有一块英伟达的最新显卡。

“我们对《使命召唤》的表现很乐观，因为前期的游戏测试成绩非常理想，而且在PC上的体验优势是巨大的。比如，这次《使命召唤》不限制游戏的最高帧数，支持多台显示器显示。”一位英伟达员工告诉界面新闻，“你的显卡有多好，游戏的画面效果就会有多好。”

这意味着玩家手中的顶级RTX2080Ti显卡——这是英伟达支持光线追踪的最高端显卡型号，俗称“煤气灶”——有了用武之地。

“要有光”

光线追踪，顾名思义，就是让我们获得追踪光线路径的能力，并借助算法来处理、构建出更逼真的光影效果。

要在游戏中实现这样的效果，有一种被称为光栅式渲染技术得到应用，但光栅渲染并不完美，它需要大量的手工设置，你所看到的反射、阴影等效果，实则是靠后期加工或是其它预渲染技术模拟出来的。而且最终的结果只能在视觉上接近真实，但并不遵循物理规律，存在着不少问题。

一个例子就是反射。在《战地5》的战斗场面中，汽车、水坑和地面上熊熊燃烧着火，可是画面里我们却看不到火光，采用光栅化技术实现的火光不能反射到汽车窗户和水坑上，但通过光线追踪技术火焰的反射效果会真实。

这不仅仅是为了创造更加完美的图像，而且还会对游戏玩法产生根本性的影响。

想象一下，在一局《战地5》游戏里，当敌人躲在街角，等待你的上钩，但你通过地面水洼的光线反射注意到了角落中的敌人，这时，你该怎么做？

光线追踪技术则是模拟光线的传播，电脑只渲染光线打到地方，因此仅需要很少的人工编程，相比于光栅式渲染简便了很多。同时光线追踪也能表现出相当真实的画面，在光影效果的表现上甚至更强，尤其是符合物理规律的光影效果。

正如开发了《战地》系列的DICE制作人David Sirland所说的，以前在游戏中，"让光线的反射真实且正确非常棘手 ”。

从开发人员的角度来说，光线追踪为开发人员简化了开发工作量，同时让画面效果看起来更好，这是一场技术推动的胜利。

“我们的RTX（显卡）会表现同一光源在不同材质上的效果，以前是使用生硬的贴图。RTX还能在光强度变化时实时反映出变化，以前因为计算量大难以实现，有了RTX，一颗GPU就能完成，这是以前无法想象的，”英伟达中国区总经理张建中此前告诉界面新闻，“RTX会将游戏画面完全改写，让游戏更加逼真。”

当然，一个图形技术不能决定一个游戏的最终卖座与否，但它可以让关卡设计师和美工们有更多施展空间，把游戏画面做得更好，故事和剧情也更为精彩。

成为潮流

建立标准并推广新技术从来不容易，尤其考虑到新技术绑定的产品具有排他性的情况下，这意味着提高的产品售价，和随之增长的普及成本。

在光栅渲染时代，光影效果的模拟从计算性能的角度来看，它的代价非常的“昂贵”，超出了传统硬件的能力范围。


光线追踪通过从我们的眼睛（观景式照相机）反向追踪光线捕捉这些效果，这种技术是 IBM 的 Arthur Appel 于 1969 年在《Some Techniques for Shading Machine Renderings of Solids》中首次提出的。

过去，这样的光线追踪计算是电影制作的专属，在电影制片厂强大的工作站可以配备高端显卡，这会非常的耗电，它可以不计时间成本和功耗来在本地构建场景中所需要的光线情况。因此，以一个可以接受的帧数渲染光线渲染正确的游戏图像，成本十分高昂。

直到2018年，在英伟达推出图灵核心后，联合微软的DirectX光线追踪API，实现光线追踪的成本和效率变得可以接受，这项技术的普及有了进一步可能。

实现实时光线追踪效果的原因是，在图灵架构RTX GPU上，传统的光栅化计算硬件和专用的芯片相结合，专门设计用于加速一些光线追踪的计算。

当然，不提供相应的图形接口和软件的硬件是没有用的，随着微软在2019年正式对支持光线追踪的游戏提供图形接口支持，旧款显卡也有了开启光线追踪的能力。

在图形技术进步和硬件性能增强的技术变革点上，有一点可以肯定，下一代游戏主机和云游戏带来的架构、商业模式变革，光线追踪将成为主流技术，成为下一代图形技术的标配。

微软和索尼都已经宣布，各自的下一代游戏机(预计将于2020年推出)将纳入基于硬件的实时光线追踪支持。有趣的是，这两款设备都将由AMD设计的gpu驱动，这强烈暗示AMD将把实时光线追踪硬件技术引入下一代AMD显卡。

最近英特尔也宣布，将在2020年推出的Xe独立显卡，重回光线追踪的世界。

即使中国公司在这场技术竞争中也没有落后，图形芯片设计公司Imagination在近年5月宣布，开始提供其PowerVR光线追踪技术授权，该公司的光线追踪方案更适用于手机等低能耗的移动设备。

实时光线追踪任重而道远，但它的发展势头还在增长。最真实的反应可能来自现在最坚定的鼓吹者英伟达。

在去年推出第一代RTX显卡后，英伟达曾面临一些批评，因为许多流行的PC游戏对实时光线追踪的支持有限。

现在，在主打光线追踪的RTX系列显卡发布一周年以后，前期显得有些匮乏的光线追踪支持游戏阵容有了丰富的迹象。

目前看来，支持光线追踪的游戏正在变多，包括即将到来的《赛博朋克2077》《看门狗：军团》《使命召唤：现代战争》等，国产游戏方面，我们还会等来《重生：边缘》和《光明记忆》。

英伟达还计划为更多3D老游戏带来光线追踪效果，通过光影的魅力，让游戏产生惊艳且脱胎换骨的，除了经典游戏《毁灭战士》，《我的世界》也将迎来光线追踪技术升级。


《我的世界》游戏本身的建模并不复杂，能让人能更直观地感受到动态光线与四周环境产生的交互作用。

“我花费大量时间说服一些满腹狐疑的记者和意见领袖们，让他们相信光线追踪是游戏产业的下一场重大变革。”英伟达公关Brian Burke说，“别告诉我老板，我的工作突然间轻松不少。”


作者：彭新
来源：界面
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