手游里的实时光线追踪技术——游戏世界更深层次真实感的暗门

光线作为艺术作品中变幻莫测的元素,穿行在各个充满美感的世界里。从莫奈《睡莲》中光与色的技法到“第九艺术”电子游戏世界里,人类从未停息对光影美感的捕捉。游戏中的对于光线渲染的最新“技法”——实时光线追踪技术,为玩家带来了更具真实感的沉浸式游戏体验。但受制于硬件的计算能力和软件的算法,直到2018年PC端才实现了实时光线追踪。而最近网易与华为联手达成了业界首个实时光线追踪技术在手游上的实现,走在了实时光线追踪技术研究与应用的最前沿。
(光线追踪技术:未来最具潜力的光影渲染技术,以下简称光追)什么是实时光线追踪技术?
在回答这个问题之前,我们先来追溯游戏中上一个“寻找”光线的渲染技术——光栅化。在光追没有成功商用于游戏以前,几乎所有游戏都是使用光栅化来模拟游戏中光线阴影的效果。光栅化把三维物体转化为携带颜色、深度的二维像素,好比我们画画的时候把三维的物体画在二维的纸上,并赋予其颜色和阴影从而模拟光影效果。而光栅化在游戏中实际应用更像是我们游戏中经常出现的一个词——“贴图”。
在光栅化制作的游戏中,光影效果都是制作人提前制作好的数据,你所看到的太阳光、光的折射、反射、阴影都是提前设计好的一组数据,它不会因为玩家的动作而产生动态的“阴影”和 “反射图像”。就如同站在镜子前游戏角色,对着镜子做出一些专属动作时,光栅化是难以实现镜子中的反射。即便可以制作出类似如此的效果,光栅化所需求的计算量不仅巨大,而且效果僵硬,最重要的是在手游上也难以实现。实时光线追踪意味着这项技术可以实时动态的计算游戏场景中“光应该出现的样子”。实时光线追踪把一个场景的渲染任务拆分成了从摄像机出发的若干条光线对场景的影响。
而实时光线追踪的“实时性”就显得更难得可贵,它让玩家面对的游戏世界不再是可以设计的,而是可以根据玩家所处的环境和玩家的操作而展现更丰富的光影变化,玩家角色与镜子的交互就像玩家在和真实世界的镜子交互一般。玩家在枪战游戏中子弹炮火穿过映照在地面水洼的样子不会一成不变,只要射击角度、高度不同,那么就会在水影中出现独属于当前射击的弹道。根据在水影中的弹道画面,一些高手也可以判断出“敌人”具体隐藏的方位。这些光追所带来的“即时性反馈”会让玩家仿佛置身于战场的感觉更加强烈,同时也提高了游戏玩法的拓展性。

网易大型多人在线角色扮演游戏《逆水寒》,采用了实时光线追踪技术,受到玩家一致好评,制作出了极具江湖氛围的游戏画面。以下为游戏中的画面展示。
从上面两张效果图来看,实时光追技术可以将游戏镜布中花街的灯火辉煌映照到铠甲的铁片上,而光栅化只有冷冰冰的铁片,对比之下显得更加生硬。再看这两项技术,虽然在追求极致的光栅化也可以做到很多实时光线追踪所做到的光线画面。但有两点是光栅化无论如何都做不到的:
第一是运行效率前面提到极致的光栅化虽然可以做到应有的效果,但是会给显卡带来极大的运行压力,例如当镜子中出现物体时,光栅化一般会制作两个相同的模组这样来实现镜像的效果,但是这同时也带来了两倍的运算量。而假使这面镜子(例如湖泊、水面、玻璃)一直存在于游戏中,就意味着要不断进行两倍的运算。而实时光线追踪只需要在初始设定好,一切运算量是可以实现可控的。相比之下,实时光线追踪的未来前景是远远超过光栅化的。
第二是光栅化无法动态计算这就涉及到更加细致的光学问题,基本问题类似于,当游戏中的镜子出现无限多的时候,光栅化是否可以做到“面面俱到”答案是显然不可能。在遇见逆水寒游戏上,网易和华为联合发布的手机端实时光线追踪,已经实现了硬阴影、软阴影、反射和粗糙反射等关键特性。光线追踪中一项最重要的统计就是每秒钟发射的光线数量,这次发布的技术可以到平均每秒30M rays,接近于业界Sponza测试在一些中高端显卡的光线发射数量。
《我的世界》中实时光线追踪开启与关闭下的效果演示阴影作为光线的“对立面”在《我的世界》中,不仅让阴影出表现的自然柔和,其他布景的色彩也更趋近于饱满。
代价愈加高昂的光栅化,将逐渐被实时光线追踪取代。
在玩家对面画面追求越加强烈的游戏时代,采用越精细的画面不仅仅意味着对制作成本的高附加,同时也意味着对显卡的运算能力的猛增。而如今市面上一个优质的高端显卡价格动辄超过一个手机甚至电脑的价格,并不是大部分玩家可以承受的。
网易华为两大厂商合体,实时光追技术在手游实现的曙光
2019软件绿色联盟开发者大会上,网易首款古风恋爱手游《遇见逆水寒》发布了与华为联合打造的业界首个实时光线追踪技术在手游上的实现。虽然实时光追技术出现已久,但是因为在目前的技术环境下,该技术的实现仍然需要付出高昂的成本,这导致PC端支持实时光追的游戏数量有限,目前主要是一些技术能力比较强的公司和看到了未来方向的公司在努力。
在软件绿色联盟开发者大会上展示的技术效果呈现也说明了在手游上采用实时光线追踪,让华为与网易站在了这项技术市场应用的前沿。
在遇见逆水寒上这款手游实现实时光线追踪,让移动端延续逆水寒端游少侠江湖的风格得以延续
实时光追技术给我们带来了什么
对于整个游戏行业来说,华为基于麒麟芯片强大的硬件能力,结合高效的算法,将实时光线追踪从理想带到现实。这是实时光线追踪技术在移动端游戏的首个实现。是华为持续深耕的技术能力和网易对美的不懈追求的共同成果。此次的实现可以说是整个图形处理领域的里程碑事件,很可能带动终端行业下一轮的军备竞赛,同时游戏厂商也多了一条体验提升的途径。
毫无疑问一切游戏技术的最终受益者都是广大玩家们,但为了更佳的游戏体验,希望有更多厂商、更多游戏来支持这个技术。在光追大量运用的未来游戏中,一些高手是可以靠实时的反射来判断敌人的动向的,反射折射动态阴影,这些游戏禁区全面解锁,释放CPU更多的性能。同时大部分玩家将会不需要那么昂贵的显卡,也可以获得更真实的沉浸式体验。

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