從《原子之心》窺見光線追蹤將帶來的前衛體驗

你還記得遊戲中的「鏡子」長啥樣嗎？

不知大家還有沒有印象，大約在一個多月之前曾有一段神秘的遊戲預告視頻。視頻很簡短地展示了一具躺在浴缸中的人形物體，其中令人感到驚悚的是浴缸中涌動著如血液般鮮紅的液體，並且這些液體還有觸角似的部分向外延伸。這其實是一款來自俄羅斯的名叫Atomic Heart（暫譯為《原子之心》）的第一人稱冒險遊戲，不過它的開發商Mundfish暫時還沒有公布太多內容。

在不久前的一次NVIDIA的訪談節目中，Mundfish的CEO Rob Bagratuni談及了遊戲的故事背景，他稱其為「平行宇宙的前蘇聯」。故事發生在20世紀中期，現實世界中人們在那段時間裡經歷了很多，同時也帶來了巨大的變革，在《原子之心》中的蘇聯科技也同樣得到了微妙的發展。人們開始嘗試並在機械與生物技術上取得了突破，這些前衛的機器人科技被應用在普通家庭中，目的是為了減輕現代生活所產生出各種繁雜負擔。

當然了，這樣的設定豈能少得了智械暴走？而《原子之心》中的暴走更加嚴重，不只是那些冷冰冰的機械，還有各種血肉模糊的異形生物，在預告片中看到的或許就是其中之一。不過Rob在採訪中否認了這是恐怖遊戲的說法，他認為自己想要表達的，更多是在未知領域探索的新奇感，而不是簡單的毛骨悚然。

不論是視頻短片還是文字資料，現階段能夠讓我們去挖掘的信息還是太少了，但我依舊想寫點什麼來聊聊這部遊戲。首先是因為Mundfish這個團隊有些獨特，他們是因為《原子之心》才走到一起，而起步就做出如此龐大的作品，這種情況並不多見。其次也是因為《原子之心》令人驚艷的畫面表現力，這得益於新銳的光線追蹤技術，並且它也是本篇想要探討的核心重點。

在具體說明《原子之心》的精美畫面前，首先還是要從非專業的角度講講「Ray tracing」（光線追蹤）是怎麼一回事。要說這個概念火起來，大概是因為今年NVIDIA推出了新的RTX系列顯卡，並把實施光線追蹤這項技術搬出來表明其強悍程度。不過，光線追蹤並不是一項才出爐的新技術，只是由於其過高的性能消耗一直沒能在電子遊戲中得到合理運用。

如今我們能夠看到越來越逼真的遊戲畫面，大部分都要仰仗著計算機圖形技術的發展，從最早的「Ray casting」（光線投射）到後來的「Scanline rendering」（掃描線渲染）一直演變到我們現在熱議的光線追蹤。直觀來講這是一個「化繁為簡，再從簡入繁」的過程。

在硬體條件遠不如現在的時代，計算機中的立體畫面表現，靠的更多是鑽研精神和想像力。通過射線的交點來建立圖象，我們從這之中收穫了最早一批的第一人稱冒險遊戲，而如今的光線追蹤依舊是在運用類似的思路。

在光線追蹤技術的實現過程中，首先要從場景中的虛擬視點出發，也就是玩家的屏幕視野。由該視點向對應的方向和角度發射射線，每條射線與場景中的物體相較並生成相對應的一個像素點。此時第二道計算將圍繞著該點的呈現效果展開，首先以它為起點向著場景中的光源發射射線，這是為了判斷該點是反光還是陰影或是兩者都是，如果射線路徑被其他物體擋住那便是陰影，反之亦然。

在確立了像素點的類別後，還需要進一步根據該點物體的材質和它的狀態進行分析，如果是透明或半透明材質，還會產生影響其他像素的折射光等等。這個過程的計算量是空前的，這也正是為何該技術一直以來難以被應用到遊戲中，畢竟玩家是自由的，視角也自然是千變萬化，一旦光線追蹤能夠得到良好的運用，想必會讓遊戲體驗提升一整個檔次。

技術原理示意圖

不論是最初的射線技術還是光線追蹤，它們的演算法思路都是「反向計算」，是一種從攝像機反推回物體與光源的計算，這其實是有違常識的。在現實生活中，我們之所以能夠看到五彩斑斕的世界，是通過光線投射到各種非自發光物體上經過吸收、反射、折射等等變化後進入我們的眼睛來實現的。這個過程是自然形成的，遵循著我們目前所知的自然規律，如果非要類比到電子遊戲的話，就好像每時每刻都在刷新整個世界的光影，這幾乎是計算機無法實現的。

「反向計算」正是為了實現這不可能的目的，在單一時刻玩家的視野能夠覆蓋到的內容是比較有限的，通過減弱不必要的、增強必要的部分，從而呈現出一個相對擬真的畫面效果。儘管離完全還原真實還有差距，但這種計算過程相較於傳統方法而言是最為接近自然法則的，在不計運算量的理想情況下便可以實現還原真實，但「理想情況」終究是一種假設。

說了一大堆通俗的技術解釋，關鍵還是要看結果，這也正是我拿《原子之心》舉例的原因。在Mundfish和NVIDIA合作的一則技術演示中，光線追蹤帶來的變化一目了然，那麼接下就藉助演示中出現的畫面來直觀感受一下這股強大的技術力吧。

光線追蹤啟動

光線追蹤關閉

這是一組非常直觀的對比圖，該視角看過去影響較大的是位於地面的射燈和機器人頭部的燈光，並且射燈的照射範圍更廣，亮度更高。在光線追蹤關閉的情況下，由射燈發出的直線光透過機器人的軀幹在後方的牆面上留下了輪廓清晰的陰影，頭部的光亮也透過外殼打在牆上。

這種光影效果其實已經非常不錯了，但在開啟光線追蹤後提升依舊明顯。由於房間內不止於這兩種光源並且還伴隨著大量的反射光線，影子因此變得模糊，頭部發光點的熒光效果也更加明顯。看到這樣的區別不免會有些質疑現實情況究竟是怎樣的，那麼你完全可以在今晚回家的路上觀察路燈的光線經過自己身體投射出的影子，或是睡前在關燈後的房間中用手機發光來感受手部的投影。

在我們討論光影效果的時候，總是會把話題的焦點放在「影」上，但其實光的表現才是更難處理的部分，尤其是鏡面和物體表面的反射光。如果你此時回想曾經在遊戲中看到的鏡子，它們似乎大多都是一層灰色並不會反射光線，也有一些是通過預製的演出來呈現。實際上，在第一組對比圖中仔細觀察也可以發現右側鏡面的變化，當光線追蹤關閉時鏡子中的倒影呈現出方向上的扭曲，而開啟時不論是鏡面還是光滑物體表面，都能夠呈現相對真實的倒影。

這一組對比圖體現了非常經典的鏡面相對情形，我們曾經在電影《盜夢空間》中看到過類似的畫面，但遊戲又與電影不同，如果沒有光線追蹤的支持，雙鏡面在呈現對側鏡面反射光時幾乎是完全的信息丟失，僅僅能倒映出場景中實際擺放的物體並且效果也非常扭曲。光線追蹤開啟後鏡面便恢復正常了，這幾乎是以往遊戲中不會存在的效果，但其運算代價想必也是非常高的，並且從鏡面中略有折損的圖像來看，這便是現在沒法達到的「理想狀態」。

更加複雜的反射情況

以上的這些就是現階段光線追蹤能夠達到的相對優秀的光影效果，儘管它的瑕疵還很明顯，但這依舊是至今為止我們很難看在遊戲中看到的光景。每當遊戲畫面表現力在某一階段停滯時，我們總是會想「這就是極致了吧？」不過那些耕耘在技術第一線的大佬們顯然還沒有滿意。

不敢斷言明年就會進入光線追蹤的時代，但像3DMark這樣的產品也正在順應需求推出新的測試軟體。在明年的早些時候對自己顯卡實力有疑問的玩家就可以用它來跑分測試了。感謝閱讀這篇有些笨拙的分享，遊戲真的很美妙，能夠在這樣一個日新月異的時代見證其成長，實屬幸運。

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