RTX性能爆炸卻沒遊戲?光線追蹤遊戲到底何時普及
最近NVIDA RTX系列顯卡的發布可謂是給沉寂已久的顯卡市場掀起了新的波瀾。RTX系列顯卡再次刷新了遊戲顯卡的性能上限,玩家們紛紛高呼老黃又帶來了新核彈。而這枚核彈最大的威力,並不在於傳統遊戲性能的提升上,而在於帶來了全新的光線追蹤加速技術。無論是從技術原理的角度來看,還是在某些演示中來看,光線追蹤的確給遊戲畫面能帶來質的提升,遊戲畫面擬真度一定程度上媲美電影,似乎已經不是遙不可及的夢。
NV RTX顯卡帶來了光線追蹤加速技術
如果你對遊戲的相關圖形技術有所了解,應該會知道遊戲畫質已經很久沒有實質上的提高了。PS3/Xbox360時代開始出現的法線貼圖、環境光遮蔽、動態光照、體積光等,當今依然是提升遊戲畫質的法寶。時至今日,遊戲的建模越來越精細,貼圖越來越高清,但觀感上始終和電影特效有著天塹般的落差。而RTX顯卡的出現,讓遊戲畫面再度進化成為了可能。那麼問題來了,顯卡已經開始支持光線追蹤加速,次時代的遊戲畫面何時才會走進千萬家?使用光線追蹤技術的遊戲,明年能夠大面積普及嗎?今天就來談談相關的話題吧。
NV放出的使用大量光線追蹤技術的《星戰》Demo,實時渲染畫質接近電影級,然而這並不是遊戲
遊戲畫面已經多年止步不前?
在談論光線追蹤技術普及之前,我們先來了解一下當前遊戲相關的圖形技術,說說為什麼光線追蹤能給遊戲畫面帶來本質上的提升。
目前的遊戲讓3D圖形呈現在玩家面前,所使用的技術叫「光柵化」。光柵化是一個比較抽象的概念,大家可以簡單理解為3D圖形的2D化,將3D模型拍扁了,就變成2D了——我們在顯示器看到的畫面是2D的嘛。遊戲進行3D建模(矢量圖形)後,將模型投射到屏幕的2D像素點上(光柵化),3D矢量圖變成了2D的點陣圖,這就是大家在顯示器看到的畫面。
光柵化的簡單示意圖,將3D空間的矢量圖形投射到平面上,成為2D柵格點陣圖
在這個過程當中,矢量圖形變為柵格點陣圖,點陣圖大小以像素點數量來衡量,因此解析度越高、處理越複雜(例如抗鋸齒)對顯卡光柵單元ROPs要求越高。因此大家可以觀察到,ROPs比較少的顯卡,在高解析度和高倍抗鋸齒下跑遊戲,性能不盡如人意。
要讓遊戲畫面變得逼真,除了建模精準以外,還需要明暗/顏色精準,不然畫面就只是白花花的一片剪影,誰也看不出那到底是啥。而遊戲畫面的著色,是在RasterOperations也就是光柵操作過程當中完成的。在光柵化的過程當中,會為2D圖像的像素分配額外的信息,例如深度、顏色等等,接著顯卡再根據這些信息給像素進行渲染上色,最後我們就可以看到立體的圖像了。
一個簡單的渲染流程示意圖:確定3D頂點3D建模光柵化像素著色2D圖像
換言之,遊戲畫面的光柵化渲染著色,大致相當於是以3D建模為依據,描繪出了2D的線稿(形狀),然後再根據各種信息往稿子裡面填色。基於這個原理,很難做出非常擬真的光影效果。目前大家在遊戲當中看到的光影效果,往往是利用光照貼圖(Lightmap)來模擬的。舉一個很簡單的過程作為例子,例如某片像素的深度信息告訴電腦,這裡能不能被光線照到,然後電腦就決定為這片像素貼上半透明的黑色/白色的光影貼圖,模擬出陰影/亮面,就形成了簡單的光影效果。
遊戲畫面之所以有立體感,光照貼圖居功至偉,但這並不能獲得完美的效果
很多情況下,遊戲中的光照貼圖是預先烘焙好的,也就是說光影並不是實時計算出來的。儘管很多遊戲帶有燈照、火光乃至天氣之類的系統,光影會產生變化,但這依然只是預先渲染好的光照貼圖,只是根據不同的情況貼不同的圖而已。
例如近幾年流行的環境光遮蔽,實際使用的往往是帶有指向性的光照貼圖;而體積光,則可以簡單看做是帶半透明模糊處理過的貼片;而物體表面凹凸不平造成的高光和陰影,實則是法線貼圖模擬的。這些手段都可以提升畫質,但從原理來看也只是花式貼圖而已。基於此,遊戲畫質已經很久沒有出現質的突破了。
光線追蹤能給遊戲畫質帶來質的提升?
用貼圖來模擬光影,這讓遊戲畫面的光影效果有很大的局限。例如,我們知道在不同角度看一個物體,它的光影很有可能不一樣,典型的例子就是鏡面/水面反射。但由於目前遊戲的光影不是即時計算的,因此很難做出完美的模擬——想必大家也沒在遊戲中見過打碎一塊鏡子,玻璃碎片還都能繼續當鏡子用的情況;而現在很多遊戲雖然做出了水面倒影,但在某些角度倒影會消失不見,這些案例就是這個道理了。
為何《戰地》的光線追蹤演示會強調車體鏡面反射火光?因為傳統的貼圖很難做到這點
再例如,目前的光照貼圖對漫反射的模擬也並不出彩。如果大家有接觸繪畫,應該知道寫實繪畫不僅需要考慮物體的固有色,還要考慮光源色和環境色,其實這就是漫反射的處理,處理好了漫反射的畫才足夠寫實、生動。但由於遊戲的光影效果是貼圖,因此很難對物體之間光線漫反射造成的顏色變化,進行非常精確的模擬。儘管可以通過一些像素處理技術,來模擬像素之間的顏色影響,但效果依然有限。
遊戲往往會用預先準備的貼圖來繪製亮部、暗部(例如眼窩、耳廓的陰影),無法精確模擬光影變化
這幾年來遊戲畫面越來越精細,但大家始終覺得遊戲畫面和現實相比,仍顯得生硬,這是由於貼圖始終無法完美模擬各種光線反射。遊戲畫面的擬真,顯而易見已經遇到了瓶頸——現在的遊戲畫面對比的《孤島危機》,有質變的提升么?《孤島危機》誕生於2007年,用《孤島危機》對比它五年前也就是2002年的遊戲,再用現在的遊戲對比距離現在十多年前《孤島危機》,不能難發現最近十幾年遊戲畫質提升之小,是遠慢於之前的。而光線追蹤技術,則是畫質瓶頸的破局之道。
2007年的《孤島危機》畫面,現在的遊戲對比這十年前的遊戲,畫質並沒有質的突破
顧名思義,光線追蹤技術能夠追蹤光線的生成、反射、遮蔽、消失,繼而實時生成光影。這次,光影終於不只是用貼圖貼出來的了,而是真正去模擬一束光,在場景中到底能產生怎樣的色調、明暗。這樣得來的光影效果,肯定比預先製作的光影貼圖來得更加可信,畢竟你無法為無數種光照情況都準備相應的貼圖或者貼圖的變化。從原理上來看,光線追蹤技術無疑能為遊戲帶來更高的畫質上限。
光線追蹤才有可能模擬出如此豐富且逼真的光影
在發布RTX系列顯卡的時候,NV已經放出了光線追蹤的演示,效果大家也有目共睹。開啟了RTX光線追蹤後,車門能給實時映射出火光,而水面也能隨時隨刻映射出倒影。而關閉了光線追蹤後,車門的火光水面的倒影皆消失殆盡,一切都變得平淡起來。
光線追蹤遊戲到底何時普及?
儘管RTX光線追蹤的演示很精彩,但很多朋友看了卻並不高興——這只是一個演示,目前市面上仍未出現使用光線追蹤技術的遊戲。看著大餅,湊近才知道這餅畫在紙上,看著香也看著餓。RTX顯卡已經正式發售,以現在的情況來看,今年湧現大量的光線追蹤遊戲是沒什麼指望的了。那麼問題來了,遊戲能夠在近期,例如明年普及光線追蹤技術嗎?
光線追蹤卓越的鏡面水面渲染,目前仍沒有什麼遊戲實裝,是否只是鏡花水月?
很遺憾,或許情況並不是那麼樂觀。雖然PC在近十幾年引領著遊戲圖形技術發展,但真正讓某種圖形技術走進千家萬戶,還得靠PlayStation、Xbox等遊戲主機,這是市場所決定的。PC遊戲的銷量一直遠小於主機遊戲,儘管PC遊戲會使用比主機遊戲更先進的圖形技術,但這些先進的圖形技術如果一直沒有在主機遊戲當中出現,以市場的角度來看它們都仍會是非主流。
在全球範圍當中,主機遊戲的銷量要比PC遊戲多得多,例如根據VGChartz的統計,《戰地4》PC版的銷量僅有主機板(PS3/4+Xbox360/One)的十分之一。對於大部分的遊戲廠商來說,只有在主機平台發售遊戲才是生財之道。此情此景下,遊戲主機成為了大部分遊戲的性能基準,直接影響這個時代的遊戲會採用何種圖形技術。遊戲廠商何必為了銷量較少的PC平台,使用成本高、未成熟的先進圖形技術?這徒增成本和風險。
遊戲主機市場規模是PC遊戲的數倍,遊戲主機才能真正推動普及遊戲圖形新技術
換言之,在主機尚未能支持光線追蹤之前,除了有資本玩票的大廠,恐怕大多數遊戲依然不會深度應用這一圖形技術。而值得一提的是,目前階段的光線追蹤遊戲,實際上並不是全局使用光線追蹤的。由於性能等方面的限制,光柵化仍必不可少,RTX顯卡只能提供混合渲染。
目前階段的遊戲並不能做到全局實時光線追蹤,而是混合渲染,光線追蹤儘管很美很吸睛但並不完整
如此一來,美工就顯得相當關鍵。同樣的圖形技術,不同的美工打磨效果會截然不同。例如同樣使用環境光遮蔽,《神秘海域4》的畫面氛圍就比普通3A大作高出一個檔次。在什麼地方使用光線追蹤才會有最好的效果?對於一個新應用於遊戲的圖形技術,這是一個值得深究的課題。這些嘗鮮的光線追蹤遊戲,會不會靜下心來打磨美工,以讓局部的光線追蹤發揮出應有的潛能?如果廠商對於光線追蹤的態度只是賣噱頭,恐怕最終成品並不如人意。
如果不能細心打磨不完整的光線追蹤,恐怕最終效果還不如傳統渲染的《神海4》,只會徒費性能
另外,雖然微軟已經公布了DXR API,在DX12當中支持了光線追蹤,但仍未制定相應的硬體規範。儘管Xbox主機也使用DX API,但其使用的AMD圖形晶元並不支持光線追蹤加速,如果主機遊戲在現階段使用光線加速,效率非常不理想。目前只有NV的RTX顯卡能提供硬體層面的光線追蹤加速,而眾所周知NV在主機市場並沒有太大的影響力。因此,光線追蹤遊戲何時能夠普及,恐怕主要得看AMD何時跟進,並推出並能在主機平台上廣泛應用的光線追蹤加速方案。
總結
毫無疑問,對於遊戲而言光線追蹤是革命性的圖形技術。但一種圖形技術在何時普及,不僅需要硬體廠商自身的研發,也要考慮歷史的進程。希望業界能夠迅速跟進光線追蹤技術,讓遊戲畫質跨入新時代吧!
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