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2018-10-17 14:08 来源:中青网

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NVIDIA RTX性能爆棚却没游戏,光线追踪游戏到底何时普及

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  5中央国家机关举报网站受理:对党组织、党员违犯党纪行为的检举和党员的控告、申诉,保障党员权利。

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。

NVIDIA

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。

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NV放出的使用大量光线追踪技术的《星战》Demo,实时渲染画质接近电影级,然而这并不是游戏

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。

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光栅化的简单示意图,将3D空间的矢量图形投射到平面上,成为2D栅格位图

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。

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一个简单的渲染流程示意图:确定3D顶点→3D建模→光栅化→像素着色→2D图像

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。

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游戏画面之所以有立体感,光照贴图居功至伟,但这并不能获得完美的效果

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。

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为何《战地》的光线追踪演示会强调车体镜面反射火光?因为传统的贴图很难做到这点

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。

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游戏往往会用预先准备的贴图来绘制亮部、暗部(例如眼窝、耳廓的阴影),无法精确模拟光影变化

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。

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2007年的《孤岛危机》画面,现在的游戏对比这十年前的游戏,画质并没有质的突破

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。

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光线追踪才有可能模拟出如此丰富且逼真的光影

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?

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光线追踪卓越的镜面水面渲染,目前仍没有什么游戏实装,是否只是镜花水月?

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。

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游戏主机市场规模是PC游戏的数倍,游戏主机才能真正推动普及游戏图形新技术

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。

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目前阶段的游戏并不能做到全局实时光线追踪,而是混合渲染,光线追踪尽管很美很吸睛但并不完整

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。

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如果不能细心打磨不完整的光线追踪,恐怕最终效果还不如传统渲染的《神海4》,只会徒费性能

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:太平洋电脑网

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