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没有这项技术,赛博朋克2077就算残废?

Kun 中科院物理所 2021-03-24

来源:网络


一拖再拖的赛博朋克2077还没发售,就多次冲上了热搜,爱玩游戏的小伙伴们纷纷表示要剁手,而小编却只能摸着瘪瘪的钱包,暗自兴叹。


但是该白嫖还是得白嫖,看别人打游戏什么的还是最舒服了。


来源:网络


说到赛博朋克风格,这个游戏,算是一剂赛博朋克的猛药,可以让你一次性赛博朋克个够。黑夜里迷幻的霓虹灯灯管与信息技术爆炸的科技时代、鳞次栉比的高楼大厦与泥泞错乱的街道、繁华的都市和角落里难以喘息的贫民窟产生奇妙的化学反应。


来源:赛博朋克2077


在迷幻眩晕的霓虹灯街区,未来科技充斥在斑驳的光影中。要是不开启光线追踪(Ray tracing),这款游戏的体验会大打折扣。不管高配玩家还是低配玩家,打开游戏、都会暗戳戳想尝试一番,显卡没到要求,游戏界面就掉帧严重,即便如此玩家们都前赴后继地给自己的配置找点X数。


01 

赛博朋克:霓虹灯科幻


上个世纪六七十年代,赛博朋克带着对飞速发展的科技的反思,出现在了科幻文学作品中。“Cyberpunk”结合了“Cyber”(电脑的,网络的)和“punk”(朋克,代表反叛、不满与自由),被翻译成“赛博朋克”。这个词一半是控制,一半是反控制,本身就是一个矛盾且冲突的存在。


赛博朋克核心议题是“High Tech Low Life”。“High Tech”融合了目前人类社会几乎所有的对前沿科技的幻想,所以在这款游戏中你可以看到生物安装机械义体,从而达到机械飞升,此外还有生物克隆和人工智能等。不过这些技术,正在逐步变为现实啦!“Low Life”则代表了与“High Tech”形成鲜明对比的人的“落后”。


《The Future is Now》插画


赛博朋克艺术中,几乎不使用自然光源。在这种情况下代表商业中最陈旧和原始的宣传方案的霓虹灯,成为了赛博朋克视觉艺术中的重要表现符号。之前我们也讲过霓虹灯的发光原理,感兴趣的大家可以点击链接查看。这种散点式的、不稳定的、局部的照明方法,搭配上高饱和度的灯光(橙色红色蓝色绿色紫色),是小编对赛博朋克艺术和文化最直观的印象。


这么强调光影的赛博朋克,自然在游戏制作中,在光影处理中肯定是要High Tech啦~


02 

图形渲染中的Low Tech


渲染技术里与光线追踪对应的的Low Tech就是指光栅化渲染,这是一种用二维的方法,通过对像素进行的颜色变化,模拟出阴影等立体效果的技术。可以想象成每一个场景都是在拍一个照片,将看到的颜色反映在照片的像素点上。这就和实验室里常见的电子显微镜逐点成像类似。


如果我们看到的是一个小球,这个小球整体的颜色虽然是黄色。但是在背向光源的一侧,会产生阴影,拍照时这个部位的像素就会被渲染成灰色,让我们看起来仿佛看到了一个立体的小球。


来源:wekipedia


然而对于一个具有釉面反射的物体想要模拟出最真实的光影效果,在光栅化渲染中,可能就需要用很复杂的算法,而且通常这些算法都不是最真实的只是为了模拟而模拟,根本不能渲染出接近真实世界的效果,特别是在光的反射里。额,当然也可以很简单。


来源:@超果果mc


而且在镜面反射中,最常用的做法就是在镜子的对面再建一个相同场景的模型,这对于游戏来说是非常高的成本。要是场景中有什么碎玻璃,多个镜子的场景,建模根本建不过来。(倒吊人直呼内行)


来源:JOJO的奇妙冒险


这种渲染是全局的,也是“一劳永逸”的,但是这一劳可能就是好几年,前期工作量非常大,渲染过程中需要不断地优化各种视角的视觉效果。游戏过程中需要首先计算出整个场景中光影效果,之后再读取该视角下的图像即可。你可以想象高中考试的时候,老师出了一道选择题(要某个视角下拍的照片),飞速计算了一页草稿纸(全局运算),然后就为了选个C(照片)。



03 

光线追踪技术:

赛博朋克2077的High Tech


光线追踪技术,便开始接近真实的物理世界。与光栅渲染相比,这更是一种一劳永逸的方法,只需要建立合适的模型(这包含法向位置等,表面材质相关的参数等),计算机在想要拍照片的时候不再是被动的接收光,而是向物体发射若干条光线。这些光线会在视野内的物体上进行反射,散射,折射,直到到达光源或者反射到规定次数。


来源:nvidia.cn


在这过程中就能反映出其他物体或者光线对物体表面颜色的影响了。这些光线彼此不知道对方,但却知道整个场景的信息。



1980年Turner Whitted发表了论文提出了最经典的光线追踪渲染方法。可以看到,眼睛射出的光线,经过了两次折射一共获得了模型中三个点的光影信息,或许它还可以获取更多,但实际上这已经比光栅渲染真实很多了。这可不是什么时间反演,其实主要是基于物理学中,光路可逆的规律,与其计算全局的光路图,不如只计算我所希望看到的那一部分像素颜色。


来源:nvidia.cn


再拿高中考试举例子,这就好比一个不讲学德的小伙子,看到这一道选择题,觉得好麻烦,不想算,直接进行反向骚操作,将选项里的几个答案都带进原题中,反着推导一波,发现只有C能够能够自恰,那好就选C了。又或者根据黄金分割比要算什么人像雕塑上身体长度,直接上尺子量不香吗?……



为了更能够接近真实的物理世界,尤其是釉面反射。1984年的Cook提出随机理论,也就是分散式光线追踪(Distribution Ray Tracing)。釉面物体上的反射光强和方向将被分散成多条光线,那么该点的颜色也会受到多个方向的物体影响。如图,像素采集点反射后有三条光线,只有三分之二可以到达该场景的光源,所以该点的亮度会比完全暴露在光源下的部分暗三分之一左右,虽然不够精确,但这同样也是比较符合实际物理世界规律的。


来源:nvidia.cn


通过这样的办法能够模拟出柔和的光影、釉面的反射,能够让光线看起来更柔和且更真实。如果你有印象应该在生活中遇到过影子相吸的现象,原理同上,游戏小编没玩,但是如果渲染的好,游戏里想必也是有这个现象的,期待细心的读者过来打脸(伸脸)。


来源:网络


图形渲染的目标和物理世界殊途同归——简化,统一所有的理论便是又一次的本质飞跃。1986年提出的Kajiya式漫反射理论,可以称之为渲染方程


04 

渲染方程:

接近物理世界的处理方法


来源:nvidia.cn


在真实生活中,光线是从四面八方发射过来的,每一点的颜色是多个路径光色彩的叠加,那好,我们就不再只向一个点射出一个光线了,我们多射出一些光线。将收集到的信息在一个像素点内叠加,甚至还可以有一些位置上的偏移。这样得到的画质能够消除锯齿,使得边缘更加柔和。


用公式化的语言可以直接表述为以下的式子:(

渲染方程


也就是说,我们眼睛在一个模型上所看到的颜色,受到四个方面的影响,分别是模型自身发光、模型受到光照的情况、模型的材质(即反射能力)和模型的朝向。可以看到和模型与接收光作用的这一项包括了后三者,并将这三者的影响进行球面上的积分,从而综合得到了整个空间的光线对这个模型颜色的影响。这就是我们今天提到的光线追踪的核心了。


赛博朋克2077 来源:nvidia.cn


光线追踪在游戏中出现也是近十年的事情,在过去光线追踪经常用于不计成本的影视作品中,来得到良好的视觉效果。但是要知道,光在空间中的传递是很复杂的,这涉及到电动力学的内容。而且光的奇特现象还不止于此,像干涉,衍射,究竟能够不能在其中体现出来,那可能就是更上一层楼的突破了。


来源:网络


技术的演变总是这样,为了抽象出本质选择了简化的物理模型,为了更好的体验却又不断地优化模型以逼近最本质的物理世界。


但是游戏的虚拟体验,带给人类的幻想却是无止境的。我们,还有路要走。


参考文献:

[1] 季昕如,郑泓.赛博朋克艺术的视觉美学探讨[J].艺术研究,2020(05):14-15.

[2] 朱江持.设计符号学视角下的赛博朋克视觉元素探究[J].设计,2020,33(11):52-54.

[3] 光线追踪——nvidia.cn

[4Ray tracing (graphics)——wikipedia.org

[5] Rendering equation——wikipedia.org

编辑:Kun


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