8月20日，《黑神话·悟空》上线Steam平台，该游戏是由中国的“游戏科学”公司历时7年开发的一款单机动作角色扮演游戏，也是中国本土的3A（指开发成本高、开发周期长、制作精良的游戏）大作。

上线当日，该游戏便掀起了互联网的讨论狂潮。部分玩家表示，游戏中的许多置景、角色的动作、大招的特效都有“经费燃烧”的感觉。游戏中的光影细节让游戏的画面提升到了新的层次。如图所示，在左侧关闭“光线追踪”的画面中，水面几乎没有倒影，画面显得平淡；在右侧画面中，光线追踪技术的运用使得游戏中的光线表现得极为真实。

图片来源：ElAnalistaDeBits

那么，光线追踪技术是什么？它是如何在游戏中应用从而提升画面精度和提高玩家沉浸感的？未来该项技术的发展趋势是什么？它将面临哪些挑战呢？北京理工大学光电学院的翁冬冬教授 将为我们揭晓游戏光影背后的秘密。

翁冬冬

北京理工大学光电学院教授，博士生导师；北京图象图形学学会理事

主要研究方向为虚拟现实与增强现实、人机交互技术、大范围增强现实系统、精确位置跟踪算法与装置、高逼真数字人等。作为项目负责人主持完成国家高科技发展计划(863计划)、十三五国家重大专项等多项国家和省部级课题。

“光线追踪”是一种在计算机图形学中用以生成逼真图像的技术。它主要用于将三维世界的场景渲染成二维图像，尤其适用于模拟光线的复杂交互，比如反射、折射、散射和阴影等。光线追踪技术的核心在于，基于光的可逆性，通过逆向模拟光线的传播路径来实现场景的计算和渲染。

具体而言，举个例子，想象你在游戏空间中看到一个球体，光线追踪技术将会从你的视角出发，向屏幕中的球体的每个像素发射一条“视线光线”。当一条光线碰到球体表面，光线追踪技术会计算出光线与物体表面的交点，继而计算出光线从各个光源（比如太阳光、灯光等）如何照亮这个交点，改变这个点的亮度和颜色。当光线在物体表面发生反射或折射时，光线追踪技术会继续跟踪这些反射或折射光线，计算出这些复杂交互给图像细节带来的变化。最后光线追踪将结合所有的信息，计算出每个像素最终的模样，汇成一个包含真实光照效果的更为逼真的图像。

翁冬冬介绍，在过去这种技术由于计算量大，通常用于动画等后期渲染的作品，然而随着英伟达显卡等的硬件技术升级，光线追踪技术逐步应用于游戏中，使得游戏可以实时计算并渲染出逼真的光影效果，让游戏更接近于现实世界。

在游戏开发中，大部分的游戏开发者通过使用支持光线追踪的引擎（如Unreal Engine或Unity等），开启引擎中光线追踪的选项，实现对场景光照效果的模拟，不需要进行大量的程序开发。但翁冬冬提到，像《黑神话·悟空》这样的3A级大作，对光影精度的追求更高，往往需要针对光线追踪对场景的光源、反射物体及其他数字资产进行优化。

《黑神话·悟空》游戏截图

《黑神话·悟空》所用的全景光线追踪技术，将阴影、环境光遮蔽等分支效果统一到了一个算法中，但翁冬冬说：“当你把所有的你认为最好的东西结合在一起的时候，它们其实是互相制约的。所以如何有效地把这些互相影响的技术整合在一起，是一个非常大的技术挑战。” 因此当开发者需要实现独特的视觉效果或制作高要求的场景时，现有的引擎可能无法完全满足需求。这时开发者往往需要与引擎团队合作，进行定制化的引擎优化。

近年来，包括光线追踪技术在内的图形学领域正经历一场深刻的变革，深度学习技术在优化图形渲染、提升画质和加速渲染速度等方面释放出巨大的潜力。翁冬冬解释道，在没有深度学习和计算机算力不足时，研究者的研究思路大多是通过观察思考，人为地提出模型，并通过实验去验证自己的假说和模型。但是深度学习技术介入后，研究人员需要做的事大大减少，能够在更短的时间内通过数据来寻找和拟合能够渲染出更逼真效果的算法模型。随着计算机算力的提升，实时渲染的速度也大大提升，除游戏外，许多需要高逼真渲染的领域（例如虚拟现实、工业仿真、数字人等）也采用光线追踪技术完成对象的塑造。

翁冬冬认为，尽管算力在逐步提升，但结合深度学习后的光线追踪对算力的需求依然非常高，这意味着目前的计算资源可能仍无法完全满足日益增长的需求，提升算力、优化光线追踪的算法依然是未来研究的重要课题。

推介单位 | 北京图象图形学学会

作者 | 徐艳

编辑排版 | 团儿

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