【起源粉進(jìn)階修煉】V 社游戲引擎畫面渲染發(fā)展的科普
V 社引擎現(xiàn)在分為三大版本，GoldSource（金源），Source（起源）和 Source 2（起源 2）。它們?nèi)齻€(gè)的隔代差距很大。
其實(shí)三者代表著三個(gè)實(shí)時(shí)渲染的時(shí)代，那么具體是怎么回事呢？
我們總結(jié)一下三款引擎渲染層的特性：
金源
· 最基本的紋理映射（Texture Mapping），該技術(shù)讓二維紋理映射到三維空間內(nèi)，俗稱貼圖技術(shù)。
· 低級(jí)光照模型（環(huán)境光 + 漫反射），給予最基本的漫反射光照效果。
· 輻射度算法烘焙的光照貼圖。
起源
· 輻射度算法烘焙的光照貼圖。
· 高級(jí)光照模型（環(huán)境光 + 漫反射?+ 馮氏 Phong 高光），依托起源的新著色器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
· 基于著色器的渲染系統(tǒng)
這個(gè)是值得注意的，不知道你發(fā)現(xiàn)沒有，半條命 2 的宣傳語(yǔ)有一段這樣的話：
“Source 基于著色器的渲染器與 Pixar 公司制作《玩具總動(dòng)員》、《怪物公司》等電影時(shí)使用的一樣，創(chuàng)造出了異常絢麗和真實(shí)的場(chǎng)景，在視頻游戲中前無古人?！?/p>
其實(shí)這個(gè)說法并不嚴(yán)謹(jǐn)，但也不算錯(cuò)?，F(xiàn)代實(shí)時(shí)渲染著色器的概念是微軟搞出?Shader Model 后正式引進(jìn)，然而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)界將渲染管線上的任何一個(gè)部件都定義為了 “著色器”。
也就是從絕對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌葋碇v，金源也包含著自己的一套著色器系統(tǒng)，但是和我們實(shí)際使用和叫法的習(xí)慣不一樣。玩家們一般討論的著色器是決定?材質(zhì)（Material）表現(xiàn)?的一種程序，很少具體涉及到什么頂點(diǎn)像素幾何計(jì)算著色器。包括接下來談到的也是。
舉個(gè)更形象的例子，這就像英偉達(dá)把自己奉為 GPU（圖形處理器）的發(fā)明者，然而這種說法是偏向于商業(yè)話術(shù)，我們都知道 SGI 比英偉達(dá)更早實(shí)現(xiàn) GPU 技術(shù)上的功能，但英偉達(dá)的說法也不算錯(cuò)，因?yàn)樽约郝氏仍谏虡I(yè)上用 “GPU” 來宣傳自己。
回到正題，這個(gè)基于著色器的渲染器是什么到底是什么玩意？
這里，我放出 2005 年 PS3 主機(jī)發(fā)布會(huì)，黃仁勛的一張演講 PPT：
這里出現(xiàn)了 Texture Mapping（紋理映射，剛剛講金源所提到的）和 Shaders（著色器），顯然，紋理映射的計(jì)算速度非?？?，在 PS2 級(jí)別主機(jī)上就能流暢運(yùn)行，那個(gè)世代對(duì)應(yīng)著金源引擎。但是問題來了：我的材質(zhì)如何表現(xiàn)得更真實(shí)？如果是人的皮膚材質(zhì)，如何體現(xiàn)出它的高光反射效果？
這就需要著色器了。我們來對(duì)比一下紋理映射（金源）和著色器系統(tǒng)（起源）的流程：
顯然著色器系統(tǒng)包含了紋理映射的同時(shí)，還有一條著色器指令執(zhí)行計(jì)算的管線。在材質(zhì)輸入上，除了紋理，還有法線等。
在著色器中，法線是極其重要的，知道了法線是什么樣就等于知道了光照是什么樣的，因?yàn)槎鄶?shù)著色方程都包含? 這個(gè)式子，也就是 法線 點(diǎn)乘 光源，可以決定光照的明暗。例如起源引擎所使用的 Half-Lambert 漫反射方程，用來求解著色樹的 Diffuse 項(xiàng):
其中：
?：出射光照。
?：入射光照。
?：余弦項(xiàng)。V 社把它的值域限制到了?
而不是傳統(tǒng)余弦波瓣的?
?，這意味著起源引擎的光照過渡會(huì)比較平緩。
這里放出半條命 2 的著色樹結(jié)構(gòu)：
上圖，起源引擎通過基于著色器的渲染系統(tǒng)為 Alyx 實(shí)現(xiàn)了更加真實(shí)的光照效果。
2001?年，英偉達(dá)推出首款可編程著色器的?GPU，配合微軟的 DirectX 8，著色器的靈活性大幅上漲，在那之后，游戲畫質(zhì)開始出現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
至于宣傳所使用到的《玩具總動(dòng)員》等等話術(shù)，其實(shí)硬要挑刺能挑出來很多，甚至能直接說它是錯(cuò)的，因?yàn)楸旧黼x線渲染（電影）和實(shí)時(shí)渲染（游戲）就完全不是一個(gè)級(jí)別的東西。
不過對(duì)普通玩家來說，這說的確實(shí)沒錯(cuò)，起源相對(duì)于金源確實(shí)是從傳統(tǒng)的紋理映射跳到“影視級(jí)”的著色器時(shí)代了。
但同時(shí)，基于著色器的渲染系統(tǒng)對(duì)顯卡性能的要求上升了很多。然而對(duì)于 HL2 來說，一開始甚至提供了 DirectX 7 的支持，使得 GeForce 256, GeForce4 MX440? 這類不可編程著色的 GPU 能正常運(yùn)行，隨之而來的也就是畫面打折扣了，例如水面直接成為了一張普通的動(dòng)態(tài)紋理，顯然使用了經(jīng)簡(jiǎn)化的著色器系統(tǒng)?？梢哉f起源引擎本身還是比較 scalable 的。
上面就是關(guān)于起源引擎的東西了。起源引擎基于著色器的渲染代表著可編程著色的新時(shí)代，直到今天，我們也仍然受益。接下來，我們就要進(jìn)入現(xiàn)代了。
起源 2
· 可編程性更高的基于著色器的渲染系統(tǒng)。
· 光線追蹤烘焙的光照貼圖。相比于前兩代的輻射度算法，光線追蹤能帶來更加高頻的細(xì)節(jié)，烘焙光照更加精細(xì)。
· 基于物理渲染的光照（Physically-Based Rendering,?PBR）
PBR 大家應(yīng)該都不陌生了，作為現(xiàn)代游戲引擎的標(biāo)配技術(shù)之一，這里不過多展開。
簡(jiǎn)而言之，PBR 讓材質(zhì)有了真實(shí)的質(zhì)感，而不僅僅停留于有更加真實(shí)的光照效果。PBR 的基礎(chǔ)是雙向反射分布函數(shù)（BRDF），這里也不展開，感興趣的可以看我寫的 s&box 開發(fā) wiki：?S&box 的著色器 - S&boxWIKI_BWIKI_嗶哩嗶哩 (biligame.com)
這里給出兩張起源 1 和起源 2 的對(duì)比圖，可以直觀地看出起源 1 傳統(tǒng)的光照和起源 2 基于物理渲染的光照有什么區(qū)別：
可以看出，地板和墻壁更有質(zhì)感了。這樣的質(zhì)感是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？答案就藏在 PBR 的雙向反射分布函數(shù)里，它可以決定材質(zhì)表面法線的分布，以此來做出不同的材質(zhì)光照的質(zhì)感。（誒又是法線看到?jīng)]有，法線很重要的）
起源 2 使用了基于現(xiàn)實(shí)中總結(jié)物理實(shí)驗(yàn)得出的 GGX?反射分布（它在 1975 年就已經(jīng)被提出，不是 V 社搞的），GGX 使得起源 2 的高光質(zhì)感表現(xiàn)得非常優(yōu)異。更詳細(xì)的資料參見這篇論文：S. Trowbridge and K. P. Reitz, "Average irregularity representation of a rough ray reflection". Journal of the Optical Society of America, 65(5):531–536, May 1975.
起源 2 就相當(dāng)于代表著現(xiàn)在 PBR 渲染的時(shí)代，隨著時(shí)間的推移，硬件性能不斷地呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，游戲畫面渲染也開始逐步轉(zhuǎn)向基于物理的，符合真實(shí)的復(fù)雜數(shù)學(xué)算法，而不是經(jīng)驗(yàn)性的，絕對(duì)理想化的簡(jiǎn)單算法了。
說了這么多，也差不多該到尾聲了。
開頭我提到，三者代表著三個(gè)實(shí)時(shí)渲染的時(shí)代，具體就是金源的貼圖時(shí)代，起源的著色器時(shí)代以及起源 2 的基于物理渲染時(shí)代了。這三個(gè)時(shí)代都誕生了非常經(jīng)典的優(yōu)秀作品，也見證了游戲技術(shù)的發(fā)展和成熟。
下一個(gè)時(shí)代具體會(huì)是什么樣的，誰(shuí)也不知道。
我們的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)完全物理的實(shí)時(shí)渲染，也就是所有場(chǎng)景的光照，反射，陰影等等都是實(shí)時(shí)地通過物理正確的方程來計(jì)算。
然而這是一種極大的算力開銷（從 Portal RTX 就能看出來，然而這玩意也是被砍成殘廢了的，和離線渲染器的超高采樣沒法比），目前我們能做的只有處處妥協(xié)。
但是，說不定哪天加速算法上又有突破了呢？或者是直接不用幾何光學(xué)用波動(dòng)光學(xué)體系了呢？如果只要效果，那咱們耍個(gè)流氓，說不定哪天生成式 AI 做光照被廣泛應(yīng)用了呢？
誰(shuí)也說不準(zhǔn)。
“壞消息是，我們還有很長(zhǎng)一段路要走......
......好消息是，我們還有很長(zhǎng)一段路能走?！?/strong>
—— 選自計(jì)算機(jī)圖形學(xué)圣經(jīng)《Fundamentals of Computer Graphics》
