30年的遊戲圖形技術進步與遊戲畫面迭代史【下：2010-2026】

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*全文約 7000 字，閱讀大約需要 15 分鐘。

隨着圖形技術的發展，開發者對遊戲表現形式的追求也愈發旺盛，遊戲不僅僅要影視化，還要超越影視。此時的圖形技術要達到電影的水準還有很長的路要走，而遊戲也有一個電影不可替代的優勢----交互性。基於這個理念，一種新的遊戲類型應運而生。

2010年，互動式電影《暴雨》發售。其實，早在開發階段《暴雨》就已經引起了業界和玩家羣體的關注，在2006年E3遊戲展上，開發團隊展示了一段角色面捕和動捕的演示視頻，這段DEMO極其精美，大幅超越了業界同期水平。爲了做到這一切，製作人大衛·凱奇甚至使用了《阿凡達》同款設備Giants光學捕捉和Faceware面部捕捉系統。在此之前，動捕數據需要動畫師手動導入模型後才能看到效果，而這套系統的先進之處在於，導演能夠在屏幕上直接觀看由捕捉數據實時生成的數字演員的表演。

阿凡達片場的實時面捕

可以說也是從此時起，遊戲劇情的製作和演出開始向同級別電影看齊，《暴雨》出色的劇情和角色細緻的演出都爲玩家展現了遊戲的另一種可能性，後來的《超凡雙生》更是受邀參與翠貝卡電影節，遊戲和電影的界限被進一步模糊。

在2010年，3D遊戲還迎來了另一個重要技術——曲面細分。

和絕大多數圖形技術一樣，遊戲界從來就不是第一個喫螃蟹的人。現代曲面細分可以追溯到1978年的Catmull-Clark細分算法。在當時，爲了解決3D圖形中生成平滑曲面的問題，學術界發表了一項研究。這項研究的核心非常簡單：既然計算機畫不出絕對的曲線，那就用暴力手段將多邊形反覆切分插值磨平，直至看起來像是光滑的曲面。這本質上是一種遞歸算法，就像無限邊數的正多邊形最終都會趨向於圓形一樣。

但是，當時的PC實在是太慢了，無法處理這種複雜計算。這個理論在此後的十幾年裏都只能停留在離線渲染階段。時間推至2001年，ATI開始了曲面細分的第一次商業化試水。它推出了一項名爲TruForm的技術，主打的是讓遊戲裏的女性角色身材“凹凸有致”。但一方面，以那個年代的圖形水平，即便是再凹凸的女性角色都很難勾起玩家的興致；另一方面，當時的DX8.1標準還不夠完善，驅動兼容性差，遊戲開發商嫌它難用且BUG多。最終，這個短命的技術很快就被市場拋棄了。

哦我的老天爺，我寧願看勞拉的三角胸也不要看這個

直到8年後DX11的發佈，曲面細分才迎來了正式普及。然而曲面細分的推廣並沒那麼順利，其中很大程度上要歸功於一個搗亂分子。

DX11

2011年，Crytek發佈了新一代顯卡殺手《孤島危機2》。相較於該工作室以前的每部作品都以一種要顛覆當時圖形界上限的姿態，這次的新作從發佈伊始就備受爭議，其中最大的討論之一就是關於曲面細分的濫用。這並非空穴來風，《孤島危機2》的曲面細分應用可謂逆天，一個普通的水泥墩子，都被細分到十幾萬個多邊形。問題在於，十幾萬面的水泥墩子在視覺上和幾百個面的幾乎沒有什麼差別，更不用說有什麼遊戲性提升了，這些多邊形可以說就是白白浪費顯卡資源而已。

《孤島危機2》讓開發者開始質疑這項技術是否依然是僞需求，但一個正面例子很快出現在了大家的眼前。同年10月25日，《戰地3》發佈。與《孤島危機2》不同，同樣應用了曲面細分技術的《戰地3》將好鋼用在刀刃上，在畫面與性能上實現了完美的平衡。但成就《戰地3》的不僅只有曲面細分，另一項革命性技術也功不可沒----這就是實時全局光照。

當然實時GI並非《戰地3》首創，甚至連最初的應用現在都有爭議（有說是在2007年的《孤島危機》上最初應用），但在大型多人遊戲中實現穩定高效的動態GI，《戰地3》還是首次。《戰地3》採用了Geomerics公司開發的Enlighten引擎，其思路是在場景中預先放置數百個探針，每個探針提前烘焙各個方向射入的光照信息，運行時通過插值計算間接光照。《戰地3》的這套系統高明之處在於，它可以根據場景需要更新探針信息，這就使得當室內場景被破壞暴露後，位於室內的探針不至於穿幫。正是因爲對技術的追求和細節的打磨，直至今日《戰地3》都在戰地社區有着極好的口碑。

隨着PS3時代逐漸走向尾聲，最後一批榨乾PS3機能的遊戲誕生出來，其中有兩部作品最爲亮眼，其一是《最後生還者》，而另一部就是我們本篇的主角之一----《GTA5》。

2013年發佈的《GTA5》可以說是開放世界遊戲的集大成者。R星自研的RAGE引擎使得無感加載的超大型城市不再是幻想，而其多主角無縫切換系統至今仍是遊戲界的標杆，這一切都是建立在PS3那可憐的512MB內存上的。時至今日很多玩家仍然認爲，以PS3的硬件帶動《GTA5》本身就是一種奇蹟。但是《GTA5》有一個硬傷，以至於2025年發佈的搭載RTGI的次世代版依舊顯得有些過時，這個硬傷就是PBR材質的缺失。

PBR全稱基於物理的渲染，顧名思義它的核心理念即讓渲染器中的材質光照遵循真實的物理定律，這也是圖形學的核心之一。在傳統渲染（如Phong）中，材質的細節依賴美術手動調參，打比方說，爲了讓一個物體看起來像金屬，美術需要在高光貼圖裏畫一個亮白色的高光，同時把漫反射貼圖畫成深灰色。這種方式不僅耗時，還非常考驗美術的技術，這也是爲什麼許多老遊戲中，金屬根本不像金屬，而更多是像拋了光的塑料的原因。另一方面，在不同的燈光環境下，這些統一的美術資產不可避免地會穿幫。PBR就沒這個問題了，只要材質參數設定正確，無論放在什麼場景中，它都能自動呈現出正確的視覺效果。

金屬度和粗糙度

2012年，迪士尼發表的題爲《迪士尼的BRDF着色》的論文，提出了一套用“金屬度”“粗糙度”等參數控制材質的方法，PBR工程規範終於被確立了下來。這套方案很快被Epic看中，並於2013年在虛幻引擎4全面採用。

UE技術總監在SIGGRAPH2013上展示基於迪士尼方案的BRDF

趕時髦的廠商除了Epic外，還有DICE。沒錯，就是今天那個混喫等死的DICE。彼時的DICE永遠走在時代技術力的巔峯，它的最新作品《戰地4》依舊貫徹了這一點。考慮到DICE和戰地的篇幅已經夠多了，而且之後還會不可避免地出現，這個時期的代表我們不妨讓給另一位候選者，但我肯定這個遊戲爲玩家帶來的震撼絕不亞於《戰地4》。這個遊戲就是2014年發佈的《刺客信條：大革命》。

2013年，隨着新一代主機PS4和Xbox One相繼發售，遊戲畫質大戰又一次被推向了白熱化。兩臺主機的GPU都基於AMD的GCN架構，性能大幅提升。更重要的是，它們第一次爲開發者提供了統一的內存架構----CPU和GPU可以共享8GB GDDR5內存，不必再像PS3時代那樣反覆搬運數據。這也意味着開發者可以將更細緻的貼圖，更復雜的模型直接塞進顯存。硬件性能的提升催生出了第二次遊戲畫質革命（第一次是2D到3D的革命）。育碧顯然也嗅到了這股浪潮。

爲了儘可能還原18世紀的巴黎，育碧派了一隊歷史學家和攝影師，用激光掃描和攝影測量法，對巴黎聖母院進行了1:1還原。爲了進一步的提升光影質量，《大革命》採用了VBGI方案，但考慮到性能因素，育碧最後將GI直接烘焙到光照貼圖中，而像NPC這些動態的元素，育碧則使用了預烘焙的探針輔助。但是《大革命》中的時間不是一成不變的，爲了各時段的光照需要，育碧甚至烘焙了多套貼圖和探針實時切換！這麼做雖然可以性能是省下來了，但也不可避免地導致遊戲體積劇烈膨脹。育碧透露，《大革命》光是巴黎市區的光照緩存就超過20GB，如果要應用到更大的場景中，這套方案顯然是行不通的，但對於《大革命》來說，這可能是最優解。不過真正讓《大革命》載入史冊的，還要數其人羣系統。

室內GI

《大革命》所用的AnvilNext引擎支持在同場景中渲染至多12000名NPC（理論），但在《大革命》中，這些人羣不是什麼背景板，還要能夠實時互動，這就給開發帶來了巨大的挑戰。爲了這個目標，開發者最終將同屏人數限制到100人，並採用了一項關鍵技術，育碧將其稱爲“牧羊人”。簡單介紹這項技術，我們在遊戲中看到的NPC並不是一個個個體，而是一羣NPC捆綁起來的網格，當玩家需要和某個NPC交互時，這個NPC會被單獨拆分出來播放預製的動畫，而當需要大範圍交互時，就由這個網格的首領，也就是剛剛說的“牧羊人”來發號施令，同時，人羣種類以及刷新位置也由牧羊人來控制，這使得CPU的壓力被大幅解放。爲了更多地榨取性能，這些人羣網格會在玩家視線遠離該區域後迅速無縫騰挪到玩家看得到的區域，這樣一來也就不存在“刷沒”的概念了。另外遊戲還引入了一套特殊的LoD系統，和傳統LoD不同，它還做到了可交互等級的切換，受限於篇幅就不過多展開了。

震撼的人羣系統

這些優化共同締造了《大革命》超越時代的畫面品質，但正是因爲這些過於激進的嘗試，《大革命》的首發優化堪稱災難級，商業上迎來了滑鐵盧。不過《大革命》的工作流也爲遊戲界打開了新大門，也是從這時開始，攝影測量法開始廣泛普及，2015年的《星球大戰：前線》，2016年的《戰地1》和《極限競速：地平線3》都是使用這項技術的傑出代表。

這是2015年的畫面你敢信

之後，雖然《神祕海域4》等作品都在挑戰PS4時代的性能極限，但在圖形技術方面卻始終沒有帶來更多的新鮮感。時間開始加速，接下來將要迎來的就是圖形界的第三次革命----光線追蹤時代。

光追在過去通常用於離線渲染，渲染1幀可能就要花上幾分鐘甚至幾小時，在2018年前，每秒60幀的實時光追簡直就是天方夜譚，圖靈架構顯卡的出現改變了這個現實。

要做到這一切當然也不是變戲法，在傳統GPU無力承擔更多渲染工作的現實下，英偉達革命性地引入了專門處理光追的RT Core。RT Core的使命是加速BVH（包圍體層次結構）遍歷和射線相交檢測。要理解這一點，就得先解釋光線追蹤的原理。

在物理世界中我們的眼睛在實時接受光線，但光線的數量是無盡的，這在有窮的圖形世界中並不現實。光追的基礎思路就是將物理世界的法則顛倒過來，由相機發射光線，命中物體後根據材質繼續生成新的反射或折射射線，並在路徑上不斷累積光照貢獻，最終得到發射射線的那個像素的顏色，這樣就可以用有窮的光線最大限度的還原真實世界。

如果採用傳統算法，就需要挨個檢查場景裏的每個三角形，直到找到最近的交點。但是單一場景中往往就有幾十萬個三角形，這就意味着一道射線就要檢查幾十萬次，這種計算量怕是連超算都頂不住，BVH的出現就是爲了解決這個問題。

BVH的思路是預先將場景中的三角形按空間位置組織成一棵樹狀結構，根節點就是整個場景，往下分成兩個大區域，每個區域再往下細分，直到僅包含一小簇三角形的葉子節點。當射線進入場景時，只需要從根節點開始，一路向下判斷是否與這個節點包圍盒相交即可，如果不相交，整棵子樹直接跳過。這樣一來，原本需要檢查幾十萬次的計算就被壓縮到了數十次。

BVH簡介

RT Core將這項計算直接整合到硬件中，比在通用單元上跑效率高到不知道哪裏去了。這項技術十分關鍵，這也是缺乏BVH硬件加速的AMD光追落後的根本原因。一步慢步步慢，AMD技術上的滯後也影響到了本世代主機，PS5和XSX使用的RDNA2架構與同期英偉達的光追架構相比就像是小孩看大人，可以說AMD是本世代光追普及緩慢的罪魁禍首也不爲過。但這口鍋全甩給AMD，也未免有失偏頗，最初的光追天時地利人和一個都不沾。

如果說主機平臺的支持是地利，那硬件的限制就是人和。與RTX顯卡一同發佈的，還有VXGI等一系列基於光追的技術。由於初代RTX顯卡的算力非常有限，業界對新技術在自家遊戲中的應用抓耳撓腮，第一批搭載光線追蹤的遊戲基本只應用了個皮毛，大多是相對簡單的光追反射----《戰地5》就是最好的例子。

二戰奎爺招笑了

作爲世界上第一款採用光追的3A遊戲，《戰地5》卻沒給業界帶來什麼正反饋。其光追的應用僅停留在玻璃，金屬漆面和水面的反射而已。在《戰地5》中，巷戰場景本就不多，這些瑣碎的特效在遊玩中很難察覺，更糟糕的是，爲了這些不太顯眼的效果，需要付出差不多一半的幀數，得不償失。這種高不成低不就的氣質使得玩家紛紛嘲諷光線追蹤的唯一作用就是照鏡子，這種偏見直到今天依然有市場，《戰地5》難辭其咎。

emm挺微妙的

不過第一批光追遊戲中也有優等生----《地鐵：離去增強版》。不同於同期其他光追遊戲，《地鐵：離去》是第一款強制RT的遊戲。遊戲中不再有手動布光，所有光線都徹底基於光源的物理規律，這就使得《地鐵：離去》的畫面效果極爲震撼，在當時沒有任何遊戲能出其右，即便放在今天，也鮮有廠商敢如此激進。但是這也成了《地鐵：離去》的最大軟肋，如果沒有RTX顯卡，玩家根本沒有資格玩這款遊戲，另一方面，它的題材也有點過於小衆，這些因素使得這部具有跨時代意義的大作受衆寥寥。而真正讓光追進入大衆視野的，就不得不提那款傳奇遊戲《賽博朋克2077》了。

DICE好好學學這才叫光追

當然《2077》不像《地鐵：離去》那樣激進，CDPR在保留了傳統光柵的同時，將光追反射，陰影和RTAO帶入了《2077》中，雖然效果沒有RTGI那麼驚豔，但仍具有非常大的象徵意義。不過可惜的是，《2077》的首發可謂相當慘烈，糟糕的優化，鋪天蓋地的BUG都宣告了這個遊戲基本上就將被釘死在恥辱柱上，但是《2077》的故事卻沒有就此終結，這個我們放到後面再講。

在光追推出的2年時間內，幾乎所有搭載光追的遊戲都或多或少有些問題，玩家無可避免地開始質疑光追的必要性。而當你覺得事情已經夠糟糕的時候，它往往還能變得更糟，這便是最後的天時。從2017年左右開始突如其來的礦潮極大的擠佔了消費顯卡的市場，導致當時一度一卡難求，很多被《2077》預告欺詐而更新30系顯卡的玩家卻因他們的顯卡大幅增值而感到開心，但老黃卻可能沒大家想象中那麼高興。激增的市場需求雖然確實讓老黃賺的盆滿鉢滿，但此時同價格下AMD的顯卡仍然具有算力優勢，自家力推的光追顯卡卻因爲性能問題始終無法深入市場。

對於這個問題老黃一開始的策略也很簡單。與RT Core幾乎同期誕生的，還有另一項偉大的發明----Tensor Core。與RT Core不同，Tensor Core主要是爲了AI和深度學習而設計。Tensor Core最早被搭載於Titan V上，這張傳奇顯卡也是唯一一張採用Volta架構的消費級顯卡。在後來的RTX顯卡上，Tensor Core也被保留，遊戲領域主要用於DLSS的計算。

不久之前剛收的全新TITAN V用來收藏

在非光追時期，由於顯卡的光柵性能已經很充足，爲了進一步提升畫質，英偉達推出了DSR功能。這項技術可以將渲染分辨率提升，再壓縮回輸出分辨率以進一步改善畫質。DLSS更像該技術的反向應用，先將分辨率壓縮，再通過算法還原以節約性能。DLSS的第一個版本隨着《戰地5》的發佈一同推出，但效果卻不盡人意。暫不論AI模型需要對每個遊戲獨立訓練，其效果也跟近視沒什麼區別。直到到了2020年的DLSS 2時代，隨着更通用的時域重建模型推出，DLSS才真正迎來了革命級的提升。

DLSS 2

但是光靠超分能榨出的性能還是有限，完整版光追所需的性能仍然是阻礙玩家和廠商使用的主要原因，爲了一勞永逸地解決這個問題，DLSS 3應運而生。

DLSS 3引入的幀生成技術與一般的基於輸出畫面的補幀技術不同，DLSS 3可以直接結合引擎運動矢量與光流加速器的AI預測數據，大幅降低了傳統補幀技術的僞影缺陷。而DLSS 3.5推出的DLSS RR徹底改變了遊戲規則，它另闢蹊徑地採用了AI神經網絡替代了傳統降噪器，在光線細節更好的情況下，性能問題也得到了緩解。

要解釋這項技術，就要先說明一下降噪是怎麼回事。我們都知道，在運行光追時，不可能對屏幕上每個像素都發射光線，實時光追需要對光線進行重要性採樣。雖然也有許多不同的採樣技術，但都無一例外的有一個問題：屏幕上只有少部分像素被真正命中。爲了填補缺失的像素，降噪器應運而生。傳統的降噪器一般有兩種方式，要麼是進行多幀時域累積，要麼是對其進行空間插值。無論哪種思路，對性能的要求都不低，而且都有比較尷尬的缺陷，這些問題都在RR出現後得到了極大的緩解。這些都爲一項新技術帶來了支持，沒錯，我們要說的就是路徑追蹤。

降噪前後

說路徑追蹤是新技術也有點過，因爲它充其量是光追的完全體而已。傳統光追往往只計算直接光照和少量反射，而路徑追蹤則模擬光線從相機到光源的完整路徑，包括多次彈射，漫反射，鏡面反射，折射等所有光學現象。它的效果也理所應當地震撼。

最初搭載這項技術的，就是那個從恥辱柱上爬回來的《2077》。路徑追蹤的加入使得夜之城發生了翻天覆地的變化，它的光影已經幾乎相當趨近於真實世界，這也是無數開發者夢寐以求的畫面品質，“光追無用論”也在這個時期逐漸開始萎靡。之後幾年，越來越多的遊戲開始搭載光追技術，對光追的應用也更爲廣泛，路徑追蹤也漸漸開始在更多的遊戲中普及。

這都不是一個遊戲了

在光追發展的同時，另一項革命性技術也不得不提，那就是虛幻5帶來的Nanite和Lumen。

Nanite的出現令廠商可以直接導入影視級資產，引擎會自動處理層級，傳統LoD的跳變感被進一步無感化，廠商也無需再爲LoD製作多種層級的模型，這項技術後來也被育碧取經，應用於最新的《刺客信條：影》中。

而Lumen則使得實時GI變得幾乎可以開箱即用，無需手動放置探針，更不用烘焙貼圖，即便是沒什麼經驗的小型團隊也能輕鬆打造高水準的畫面，大幅降低了開發門檻，那些如《33號遠征隊》的2A級遊戲也能有機會和3A廠商一較高下。

AI輔助遊戲的腳步絕不會在此停止，就在幾周前，英偉達發佈了全新的DLSS 5.0，這項技術幾乎就是把AI生圖功能搬進了實時渲染的遊戲中。不過，玩家羣體卻對這種“濫用AI”的做法頗有微詞，包括老登我也對這項技術持懷疑態度。但是無論你喜歡與否，我們都將迎來又一次的畫面技術革命。也許和最初的DLSS一樣，即便是飽受爭議甚至是被詬病的功能，只要假以時日，終將成爲圖形技術全面進化的基石。作爲玩家，我們正處於最好的時代中。

（完）