手頭緊急需用錢

　　來源：中科院物理所

　　一拖再拖的賽博朋克2077還沒發售，就多次衝上了熱搜，愛玩遊戲的小夥伴們紛紛表示要剁手，而小編卻只能摸著癟癟的錢包，暗自興嘆。

　　但是該白嫖還是得白嫖，看別人打遊戲什麼的還是最舒服了。

　　說到賽博朋克風格，這個遊戲，算是一劑賽博朋克的猛葯，可以讓你一次性賽博朋克個夠。黑夜裡迷幻的霓虹燈燈管與信息技術爆炸的科技時代、鱗次櫛比的高樓大廈與泥濘錯亂的街道、繁華的都市和角落裡難以喘息的貧民窟產生奇妙的化學反應。

　　在迷幻眩暈的霓虹燈街區，未來科技充斥在斑駁的光影中。要是不開啟光線追蹤（Ray tracing），這款遊戲的體驗會大打折扣。不管高配玩家還是低配玩家，打開遊戲、都會暗戳戳想嘗試一番，顯卡沒到要求，遊戲界面就掉幀嚴重，即便如此玩家們都前赴後繼地給自己的配置找點X數。

　　賽博朋克：霓虹燈科幻

　　上個世紀六七十年代，賽博朋克帶著對飛速發展的科技的反思，出現在了科幻文學作品中。「Cyberpunk」結合了「Cyber」（電腦的，網路的）和「punk」（朋克，代表反叛、不滿與自由），被翻譯成「賽博朋克」。這個詞一半是控制，一半是反控制，本身就是一個矛盾且衝突的存在。

　　賽博朋克核心議題是「High Tech Low Life」。「High Tech」融合了目前人類社會幾乎所有的對前沿科技的幻想，所以在這款遊戲中你可以看到生物安裝機械義體，從而達到機械飛升，此外還有生物克隆和人工智慧等。不過這些技術，正在逐步變為現實啦！「Low Life」則代表了與「High Tech」形成鮮明對比的人的「落後」。

　　賽博朋克藝術中，幾乎不使用自然光源。在這種情況下代表商業中最陳舊和原始的宣傳方案的霓虹燈，成為了賽博朋克視覺藝術中的重要表現符號。之前我們也講過霓虹燈的發光原理，感興趣的大家可以點擊鏈接查看。這種散點式的、不穩定的、局部的照明方法，搭配上高飽和度的燈光（橙色、紅色、藍色、綠色、紫色），是小編對賽博朋克藝術和文化最直觀的印象。

　　這麼強調光影的賽博朋克，自然在遊戲製作中，在光影處理中肯定是要High Tech啦~

　　圖形渲染中的Low Tech

　　渲染技術里與光線追蹤對應的的Low Tech就是指光柵化渲染，這是一種用二維的方法，通過對像素進行的顏色變化，模擬出陰影等立體效果的技術。可以想像成每一個場景都是在拍一個照片，將看到的顏色反映在照片的像素點上。這就和實驗室里常見的電子顯微鏡逐點成像類似。

　　如果我們看到的是一個小球，這個小球整體的顏色雖然是黃色。但是在背向光源的一側，會產生陰影，拍照時這個部位的像素就會被渲染成灰色，讓我們看起來彷彿看到了一個立體的小球。

　　然而對於一個具有釉面反射的物體，想要模擬出最真實的光影效果，在光柵化渲染中，可能就需要用很複雜的演算法，而且通常這些演算法都不是最真實的只是為了模擬而模擬，根本不能渲染出接近真實世界的效果，特別是在光的反射里。額，當然也可以很簡單。

　　而且在鏡面反射中，最常用的做法就是在鏡子的對面再建一個相同場景的模型，這對於遊戲來說是非常高的成本。要是場景中有什麼碎玻璃，多個鏡子的場景，建模根本建不過來。（倒吊人直呼內行）

　　這種渲染是全局的，也是「一勞永逸」的，但是這一勞可能就是好幾年，前期工作量非常大，渲染過程中需要不斷地優化各種視角的視覺效果。遊戲過程中需要首先計算出整個場景中光影效果，之後再讀取該視角下的圖像即可。你可以想像高中考試的時候，老師出了一道選擇題（要某個視角下拍的照片），飛速計算了一頁草稿紙（全局運算），然後就為了選個C（照片）。

　　光線追蹤技術：

　　賽博朋克2077的High Tech

　　而光線追蹤技術，便開始接近真實的物理世界。與光柵渲染相比，這更是一種一勞永逸的方法，只需要建立合適的模型（這包含法向位置等，表面材質相關的參數等），計算機在想要拍照片的時候不再是被動的接收光，而是向物體發射若干條光線。這些光線會在視野內的物體上進行反射，散射，折射，直到到達光源或者反射到規定次數。

　　在這過程中就能反映出其他物體或者光線對物體表面顏色的影響了。這些光線彼此不知道對方，但卻知道整個場景的信息。

　　1980年Turner Whitted發表了論文提出了最經典的光線追蹤渲染方法。可以看到，眼睛射出的光線，經過了兩次折射一共獲得了模型中三個點的光影信息，或許它還可以獲取更多，但實際上這已經比光柵渲染真實很多了。這可不是什麼時間反演，其實主要是基於物理學中，光路可逆的規律，與其計算全局的光路圖，不如只計算我所希望看到的那一部分像素顏色。

　　再拿高中考試舉例子，這就好比一個不講學德的小夥子，看到這一道選擇題，覺得好麻煩，不想算，直接進行反向騷操作，將選項里的幾個答案都帶進原題中，反著推導一波，發現只有C能夠能夠自恰，那好就選C了。又或者根據黃金分割比要算什麼人像雕塑上身體長度，直接上尺子量不香嗎？……

　　為了更能夠接近真實的物理世界，尤其是釉面反射。1984年的Cook提出隨機理論，也就是分散式光線追蹤（Distribution Ray Tracing）。釉面物體上的反射光強和方向將被分散成多條光線，那麼該點的顏色也會受到多個方向的物體影響。如圖，像素採集點反射後有三條光線，只有三分之二可以到達該場景的光源，所以該點的亮度會比完全暴露在光源下的部分暗三分之一左右，雖然不夠精確，但這同樣也是比較符合實際物理世界規律的。

　　通過這樣的辦法能夠模擬出柔和的光影、釉面的反射，能夠讓光線看起來更柔和且更真實。如果你有印象應該在生活中遇到過影子相吸的現象，原理同上，遊戲小編沒玩，但是如果渲染的好，遊戲裡想必也是有這個現象的，期待細心的讀者過來打臉（伸臉）。

　　圖形渲染的目標和物理世界殊途同歸——簡化，統一所有的理論便是又一次的本質飛躍。1986年提出的Kajiya式漫反射理論，可以稱之為渲染方程。

　　渲染方程：

　　接近物理世界的處理方法

　　在真實生活中，光線是從四面八方發射過來的，每一點的顏色是多個路徑光色彩的疊加，那好，我們就不再只向一個點射出一個光線了，我們多射出一些光線。將收集到的信息在一個像素點內疊加，甚至還可以有一些位置上的偏移。這樣得到的畫質能夠消除鋸齒，使得邊緣更加柔和。

　　用公式化的語言可以直接表述為以下的式子：（

　　也就是說，我們眼睛在一個模型上所看到的顏色，受到四個方面的影響，分別是模型自身發光、模型受到光照的情況、模型的材質（即反射能力）和模型的朝向。可以看到和模型與接收光作用的這一項包括了后三者，並將這三者的影響進行球面上的積分，從而綜合得到了整個空間的光線對這個模型顏色的影響。這就是我們今天提到的光線追蹤的核心了。

　　光線追蹤在遊戲中出現也是近十年的事情，在過去光線追蹤經常用於不計成本的影視作品中，來得到良好的視覺效果。但是要知道，光在空間中的傳遞是很複雜的，這涉及到電動力學的內容。而且光的奇特現象還不止於此，像干涉，衍射，究竟能夠不能在其中體現出來，那可能就是更上一層樓的突破了。

　　技術的演變總是這樣，為了抽象出本質選擇了簡化的物理模型，為了更好的體驗卻又不斷地優化模型以逼近最本質的物理世界。

　　但是遊戲的虛擬體驗，帶給人類的幻想卻是無止境的。我們，還有路要走。

　　參考文獻：

　　[1] 季昕如，鄭泓。賽博朋克藝術的視覺美學探討[J]。藝術研究，2020（05）：14-15。

　　[2] 朱江持。設計符號學視角下的賽博朋克視覺元素探究[J]。設計，2020，33（11）：52-54。

　　[3] 光線追蹤——nvidia.cn

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

　　[5] Rendering equation——wikipedia.org