没有这项技术，赛博朋克2077就算残废？
本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Kun，头图来自：《赛博朋克2077》
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。
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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。
一、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”。
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~
二、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。
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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。
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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。
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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）。
三、光线追踪技术：赛博朋克2077的High Tech
而光线追踪技术，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。
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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。
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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。
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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。
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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。
四、渲染方程：接近物理世界的处理方法
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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。
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
[4] Ray tracing (graphics)——wikipedia.org
[5] Rendering equation——wikipedia.org
本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Kun