3D图形技术的下一步飞跃是什么?

你可能还记得几年前有一段YouTube视频夸下海口说,以当前的硬件水平,我们现在就可以建构出具备无限细节的游戏世界。不再需要多边形计数(polygon count),因为没有多边形的概念了——我们已经跨越了通过数千块平面形状联结来完成3D建模的阶段,现在一切都可以用单个“粒子”建造出来。因为它只需要渲染可见的粒子,所以可以极其快速,而且对点云数据(the point cloud data)的大小没有限制。它甚至可以渲染地上泥土的每一个颗粒。

这段视频出自于Euclideon,这家澳大利亚软件公司承诺,它的点云搜索算法是革命性的,而且它确实看起来让人印象非常深刻。但是Euclideon此后因为这般大放厥词并且驳斥行业质疑而名声受损,然而在视频发布以来的这5年里,我们还是没有玩到一款用了它所假想的转型技术的游戏。这并不必然意味着,这种假想不会实现,但如果它真的是实时渲染的未来,它确实缺乏证明——至今为止,Euclideon只演示了基本的光照和动画。

但是实时3D图形技术的未来,可能比Euclideon的炒作视频所预示的更加不可思议。为了弄清楚这些说法以及其他关于未来的想法,我找到了图形技术领域软件和硬件方面的的领军人物:英佩游戏(Epic Games)联合创始人Tim Sweeney,和英伟达(Nvidia)技术营销总监Tom Petersen。我想要一探究竟,看电子游戏图像技术现在到底发展到什么水平,我们离真正模拟出真实世界还有多远,以及甚至可以超越照片级真实感(photorealism)的未来可能会是什么样子——或者用Sweeney的话说,“人类的下一阶段”。这还真有点恐怖。

模拟光照(Simulating light)

相对粗糙的多边形建模短时间内不会被取代,但是非传统渲染的想法也有可取之处。如果显示器的分辨率没有按照它们已有的速率提升,Sweeney说,实时图形处理技术可能已经朝着其它方向发展了。但是事实最终证明,高效率的多边形渲染是跟上分辨率增速的最好方式,而且因为我们在过去10年已经十分善于多边形渲染了,其他的方法将会遇到市场后入的困难时期。别的方法想要胜出,不仅需要比游戏开发者现在使用的工具更好——包括动画制作、世界搭建工具,流体和布料模拟工具等等——而且本身处境不利,因为业界和硬件全部是为多边形光栅化进行优化的。

“分析来说,(从最初的皮克斯REYES渲染器的范式开始)抗锯齿微多边形渲染(antialiased micropolygon rendering)是有技术前景的,也是我认为可能全管线替代传统光栅化的唯一选择,”Sweeney在我后来要求详细阐述时如此写道。“如果在一个情境中,头发或者草木之类的细节非常关键,并且GPU(图形处理器)的性能表现已经超越像素密度,这种技术就会胜出。前一个条件现在是存在的,但是后一个条件恰恰相反,现在4K和VR还在要求更高的分辨率。”

换而言之,我们暂时还没有那样的处理能力,以我们试图达到的分辨率,实时渲染出胶片级别的图像,但这并非虚妄。“其他有趣的方式还包括,光线追踪(raytracing)、体素渲染(voxel rendering)、像医学核磁共振成像那样的信号空间立体渲染(volume rendering)、以及点云(point clouds),”Sweeney说道。“我觉得它们中的每一个都可以精于某些特定的使用场景和效果,但是我不相信它们能够取代全部的传统渲染管线。”

“为了呈现出无可争议的现实生活般精确的真实感(photorealism),我认为你将会需要光照模拟。”

——Tom Petersen

来自英伟达的Petersen,将我们现在的实时渲染能力描述成“花哨的近似”,并把新技术看作未来的一部分,到那时这种近似成为真正的模拟。“为了呈现出无可争议的现实生活般精确的真实感,我认为你将会需要光照模拟。”Petersen说道。“某种程度来说,那将需要不同的技术。”

对于在风格之上追求真实感的游戏,Petersen预想了一个不那么艺术化,而更加技术化的制图方法。比起艺术家选择用笔描绘出纹理,他们则简单地构建一个模型然后说,“嘿,这是一块木头。”木头的属性将从真实样本中捕捉,然后传送到GPU上以转换为图像。

“我认为精确地模拟出物质的物理光感将会变得越来越重要,”Petersen说。“今天的我们与之尚有距离,但那可能是事物发展的方向。我喜欢这种想法:利用物质和物质属性来完成光的模拟,而不是依靠那种艺术化着色的纹理贴图(textures)和简单属性。”

尽管路途尚遥,点云、扫描以及摄影制图(photogrammetry)都已经在电子游戏领域占有一席之地。比如游戏《伊森卡特的消失(The Vanishing of Ethan Carter)》在制作时,就用到了拍摄真实物体、构造点云、然后将云数据转换为多边形和贴图等等。最终的成果运行起来就像其它游戏一样,但是因为细节是真实的,所以看起来更为可信。石头呈现出真实风化的样子,而不是被贴上类似石头的图片,尽管我们没有关注其中的微多边形或点云或信号空间立体渲染,效果已经非常显著。

打破摩尔定律

随着GPU处理能力提高,多边形场景的复杂程度当然会持续增加(不管它们是通过手绘还是扫描建构出来的),并且有些替代性的渲染技术可能会被实现。对于可预见的未来,GPU将会继续变得更好、更快。“GPU仍在以快于摩尔定律的速度在发展,因为显然我们可以并行,而当你并行时,它真的能够极大程度地提高性能,”Petersen说。“因此我预期GPU通过流程的合并以及结构的优化,会以与之相近的速度,继续变得越来越快。”

它最终会逐渐减速吗?“你很难预料,”他说,但通常“水到渠成(life finds a way)。”每次有人说这不可能做到,说没有更多处理空间了,技术总有办法变得更强大。

不过,我们可以渲染的多边形数量并不是事情的全部。更多的多边形可能会让建筑看起来更宏伟,让树木看起来更茂盛,但每当我望向地面时,总会感到失望——它很明显是用平面形状和纹理贴图做出来的。它不是吸收掉光线的厚土或泥浆,由曾作用于它的每一分力塑成。即使我们如Euclideon的演示视频里那样,能够渲染每一个颗粒,还是有一部分关乎逼真度的东西被漏掉:泥土应当散落在我们的脚下,卷入到风的气流中,而不是牢牢粘在地基上。

表现对于逼真度而言,与多边形数目或纹理分辨率一样重要;用“照片级真实感”来形容我们前进的方向,实在是一个很糟糕的方式,它听起来更像是高清视频,它需要做到更好:比相机镜头拍出的更真实,在动态、变化方面也要表现良好。

水流、泥土,和其它松软、粘稠以及液态的物质都很难模拟,不过GPU正在做的越来越好。它们不再仅仅是多边形光栅化机器,而是能够处理物理和AI仿真的强大的通用计算设备。过去几年的成果已经让人叹为观止——作为例证,可以看下2014年英伟达的FleX演示视频。

有数个游戏已经充分利用硬件加速来提高物理仿真。例如,《危险高尔夫(Dangerous Golf)》使用Flex技术制作流体画面,《杀戮空间2(Killing Floor 2)》也用它模拟血液飞溅画面。对我来说,教程演示总是比游戏本身看起来更加刺激,毕竟所有演示的使命就是看起来很棒——游戏开发者比起对着逼真度缺陷垂头丧气,还有更多事情要做。我特地询问了Petersen关于我在意的泥土。游戏里的土什么时候才能像土?

“我们不知道它什么时候能实现,不过显然突破一直在发生,比如说,“哦,我们不是非得模拟出泥土的每一个颗粒,以达到无与伦比的效果,我们可以做出颗粒的模型后再复制,然后把它们撒满地面,”Petersen说。“但我确实觉得,英伟达以及图形技术公司的挑战将会是:你如何在自己所说的方向上得到更多,模拟所有东西,并且能够实时呈现?我想你会一路向其靠近。因为GPU在继续变得越来越快,而我们仍将继续想要把GPU的运算劳动用在关乎视觉呈现的东西上。

“我认为你将看到流媒体技术在接下来几年里显著提高,甚至模糊掉本地与云之间的界限。”

——Tom Petersen

按照Petersen的说法,我们的桌面将随着 GPU的提升,“迅速趋近照片级真实感的品质”——仿真也随之实现——但他对有着更蓝天空的未来预测中,还包括了云计算。“我认为你将看到流媒体技术在接下来几年里显著提高,甚至模糊掉本地与云之间的界限,”他说。尽管VR将需要快速的本地运算以保持与云端同步,Petersen构想了一种混合运算模型,将任务在轻量级设备和远程处理器之间分配进行,从而解放VR头戴设备。

我们自己设备中的流是一回事,预期未来让远程计算机仿真我们的游戏世界则既让人兴奋,又有些令人不愉快。我们过去拥有软件(或者至少有这种假象),现在我们给它授权,而在不久的将来,我们可能甚至不用自己运行它。但是就像Petersen指出的,我们已经逐渐接受了Netflix(在线视频服务提供商)的服务方式,所以想想看年轻一代将选择前进中的流媒体技术,这也没有什么大不了的。好消息是我们的本地硬件到时也会强大得惊人。

遗漏了什么?

对Sweeney来说,最感兴趣的问题是我们现在就能用软件解决的那些,并且如果我们只关注那些问题的话,可能5年前就已经解决了。“我们现在有了非常强大的硬件技术,”Sweeney说,“但我感觉我们仅仅在利用(现在的硬件技术)在人类活动上的全部潜能。”他指出,多人游戏在过去20年里都没有太多变化——我们在游戏里仍是一群没有感情的角色替身,“与其他人没有任何联系。”

“当你能够通过面向内部的镜头,实时逼真地捕捉到人们身处VR中的面部表情和肢体动作,并且把他们重现为VR环境中的数字化人体(digital humans)时,会发生什么呢?”他问道。Sweeney同样认为开发工具是未来一个至关重要的部分:将更好的世界搭建工具放进虚幻引擎(Unreal Engine)中,包括在VR环境中的创建能力,并且可供非专业游戏开发者使用。他对于未来的想象考虑到了那些,玩《我的世界(Minecraft)》长大,现在能够在空余时间搭建照片级真实环境的一代用户。

“如果我们思考一下10年后游戏可能有的样子,我们不会只是在玩一堆公司动用数千人手、耗费十亿美元做出的预先构建好的单人游戏,”Sweeney说。“它将变成用户驱动。用户将自己搭建东西,他们可以为社交、游戏搭建无缝环境。一切都将是为了给用户赋权,让他们自主实现游戏方式。你将看到数百万个体组成独立社群,为之做贡献,而不是在App Store推出40万个游戏,而大部分都以失败告终。

这引出了一个重要话题:谁去搭建这些极致细节的世界呢?最大的那些工作室已经动用数百或数千人编写游戏,因此看起来游戏行业可能将变得更加注重协作。如Sweeney所说,除了硬件制造商、像微软那样的标准制定者、以及引擎和中间件开发者,用户也可能在这一流程中占据更大分量。黎明游戏(Daybreak Games)公司在它还是索尼在线娱乐(SOE)的时期,曾计划将用户在《无尽的任务Next:里程碑( EverQuest Next Landmark)》中搭建的场景应用到《无尽的任务Next(EverQuest Next)》里,尽管这种想法最后被放弃。

可能这对于当时来说,太超前了。

我还请Sweeney肆意畅想了一下更远一点的未来——距今20年后——如果大胆一些来看,他的想法是可信的。“我们将离仿真更近,”他说,在2036年“我们能够把物体渲染得非常完美,以至于你会很难将之与现实区分。”我们口袋里的智能手机也可以渲染出超真实的AR(增强现实)世界,而显示设备不会比太阳镜更笨重。

想想看20年前,移动电话诺基亚9000Communicator问世,只配备了33MHz处理器和8M存储空间。而今,苹果手机的最新机型iPhone 6s则拥有1.85GHz处理器、2G内存和128G存储空间。再过20年,Sweeney认为手机将会“像是随时随地在用一台你目前不可能买得到的极品电脑,并且具有你今天花百万美元才能得到的更好更拟真的图像显示,即便是以移动设备呈现。”

“唔是的,我认为15年后会有十亿人享受到这种手机,”他说。“而且那真的会带来改变。基本上可以说是,你知道的,人类的下一阶段。它会变成一种超能力。”

目前来看这样恢宏的预言是匪夷所思的。我们觉得当下平淡无奇,是因为现在的成就是在过去缓慢而寻常的进程中积累而来。微芯片、个人电脑、GPU的发明——一切都是合理的、人们所熟知的,而且基本不会让人联想到超能力。但是如果从时间轴中抽出这些因素,那么近期的历史也会变成一系列不思议:10年前,VR只存在于科幻小说中;20年前,《雷神之锤(Quake)》有我见过的最好的画面;30年前,一台个人电脑和汽车一样昂贵。在宏大的视野中,Euclideon或者其它公司能否如实做到它们宣称的技术,其实真不重要——最后,总会有什么人以这样或那样的方式,做到仿真世界。

 

 

jevona 于 3年前 发表

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