本文来自微信民众号：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。

然则该白嫖照样得白嫖，看别人打游戏什么的照样最舒服了。

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说到赛博朋克气概，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手艺爆炸的科技时代、鳞次栉比的高楼大厦与泥泞庞杂的街道、荣华的都市和角落里难以喘息的贫民窟发生巧妙的化学反应。

泉源：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。不管高配玩家照样低配玩家，打开游戏、都市暗戳戳想实验一番，显卡没到要求，游戏界面就掉帧严重，即便如此玩家们都前仆后继地给自己的设置找点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，泛起在了科幻文学作品中。“Cyberpunk”连系了“Cyber”（电脑的，网络的）和“punk”（朋克，代表叛逆、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，自己就是一个矛盾且冲突的存在。

赛博朋克焦点议题是“High Tech Low Life”。“High Tech”融合了现在人类社会险些所有的对前沿科技的理想，以是在这款游戏中你可以看到生物安装机械义体，从而到达机械飞升，此外另有生物克隆和人工智能等。不外这些手艺，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“落伍”。

《The Future is Now》插画

赛博朋克艺术中，险些不使用自然光源。在这种情形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，感兴趣的人人可以点击链接查看。这种散点式的、不稳定的、局部的照明方式，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，在光影处置中肯定是要High Tech啦~

二、图形渲染中的Low Tech

渲染手艺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式，通过对像素举行的颜色转变，模拟出阴影等立体效果的手艺。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。

若是我们看到的是一个小球，这个小球整体的颜色虽然是黄色。然则在背向光源的一侧，会发生阴影，摄影时这个部位的像素就会被渲染成灰色，让我们看起来好像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，可能就需要用很庞大的算法，而且通常这些算法都不是最真实的只是为了模拟而模拟，基本不能渲染出靠近真实天下的效果，特别是在光的反射里。额，固然也可以很简单。

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而且在镜面反射中，最常用的做法就是在镜子的劈面再建一个相同场景的模子，这对于游戏来说是异常高的成本。要是场景中有什么碎玻璃，多个镜子的场景，建模基本建不外来。

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这种渲染是全局的，也是“一劳永逸”的，然则这一劳可能就是好几年，前期工作量异常大，渲染过程中需要不断地优化种种视角的视觉效果。游戏过程中需要首先盘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刻，先生出了一道选择题（要某个视角下拍的照片），飞速盘算了一页草稿纸（全局运算），然后就为了选个C（照片）。

三、光线追踪手艺：赛博朋克2077的High Tech

而光线追踪手艺，便最先靠近真实的物理天下。与光栅渲染相比，这更是一种一劳永逸的方式，只需要确立合适的模子（这包罗法向位置等，外面材质相关的参数等），盘算机在想要摄影片的时刻不再是被动的吸收光，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举行反射，散射，折射，直到到达光源或者反射到划定次数。

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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外面颜色的影响了。这些光线相互不知道对方，但却知道整个场景的信息。

1980年Turner Whitted揭晓了论文提出了最经典的光线追踪渲染方式。可以看到，眼睛射出的光线，经过了两次折射一共获得了模子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，实在主要是基于物理学中，光路可逆的纪律，与其盘算全局的光路图，不如只盘算我所希望看到的那一部门像素颜色。

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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，以为好麻烦，不想算，直接举行反向骚操作，将选项里的几个谜底都带进原题中，反着推导一波，发现只有C能够能够自恰，那好就选C了。又或者凭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？

为了更能够靠近真实的物理天下，尤其是釉面反射。1984年的Cook提出随机理论，也就是涣散式光线追踪（Distribution Ray Tracing）。釉面物体上的反射光强和偏向将被涣散成多条光线，那么该点的颜色也会受到多个偏向的物体影响。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，以是该点的亮度会比完全暴露在光源下的部门暗三分之一左右，虽然不够正确，但这同样也是对照符合实际物理天下纪律的。

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通过这样的设施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。若是你有印象应该在生涯中遇到过影子相吸的征象，原理同上，游戏小编没玩，然则若是渲染的好，游戏里想必也是有这个征象的，期待仔细的读者过来打脸。

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图形渲染的目的和物理天下殊途同归——简化，统一所有的理论即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：靠近物理天下的处置方式

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在真实生涯中，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。这样获得的画质能够消除锯齿，使得边缘加倍柔和。

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，我们眼睛在一个模子上所看到的颜色，受到四个方面的影响，分别是模子自身发光、模子受到光照的情形、模子的材质（即反射能力）和模子的朝向。可以看到和模子与吸收光作用的这一项包罗了后三者，并将这三者的影响举行球面上的积分，从而综合获得了整个空间的光线对这个模子颜色的影响。这就是我们今天提到的光线追踪的焦点了。

赛博朋克2077 泉源：nvidia.cn

光线追踪在游戏中泛起也是近十年的事情，在已往光线追踪经常用于不计成本的影视作品中，来获得优越的视觉效果。然则要知道，光在空间中的通报是很庞大的，这涉及到电动力学的内容。而且光的奇异征象还不止于此，像过问，衍射，事实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。

手艺的演变总是这样，为了抽象出本质选择了简化的物理模子，为了更好的体验却又不断地优化模子以迫近最本质的物理天下。

然则游戏的虚拟体验，带给人类的理想却是无止境的。我们，另有路要走。

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讨[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

本文来自微信民众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Kun