作者：刘琼 上海安世亚太光学应用工程师
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编者按
《赛博朋克 2077》作为最近大热的一款游戏，因其高还原度场景、酷炫的光影效果和未来感而令无数玩家心驰神往。那么这款游戏到底为什么比其他3D游戏画面更逼真呢？作者在文中对其进行了分析，让你更懂《赛博朋克 2077》。
2020年12月10日，《赛博朋克 2077》这款波兰游戏公司CD Projekt RED打磨已久的作品，历经了数次跳票之后终于来到了玩家们的手中。即便那天是工作日，但仍未影响到游戏的热度，Steam平台上同时在线玩家数量依然庞大。作为打工人的我不禁陷入了沉思：“你们是怎么做到的？”
既然领导不给假，看看游戏介绍和评论总可以吧？
“ 《赛博朋克 2077》是一款彻头彻尾的 RPG 作品，相信很多玩家都会沉迷于第一人称和火光四溢的未来战斗中，这款作品也许会成为近年来最令人激动、血脉偾张、有趣的游戏作品之一。”
“《赛博朋克2077》全球游戏媒体评分大致如下，IGN 9分，GameSpot 7分，Game Informer 9分。截止12月10日MetaCritic共收录43家媒体评分，均分91。”
既然评论这么好，试试购买下载安装总可以吧？
终于迎来了数月内第一个不用加班跑仿真的周末，瓜子零食水果都准备好了。然而当打开游戏的那一刻突然发现，游戏的画面怎么和宣传照里面的差别那么大？我的电脑配置明明已经很好了啊。不行，我要退款！
冷静下来后，我开始上网搜索和我一样遭遇的小伙伴。经过一番查探，我的表情逐渐凝固，并开始意识了到问题的严重性。我的显卡好像无法支持”RTX Ray Tracing”?
游戏画面为什么这么差？原因找到了！
传统3D游戏的渲染一直在使用光栅化技术。该技术将3D模型转换为2D屏幕上的像素，进行处理或“着色”后再显示在屏幕上。这项技术忽略了光与物体相互作用的很多要素，所以往往会给人带来不真实感。
和传统的光栅化技术相比，RTX Ray tracing有了革命性的提升。这项技术让游戏支持实时光线追踪技术以及区域阴影、光照反射和环境光遮蔽等各种特效，能够让游戏接近电影级画质。这让开发者创造出接近真实世界的光线技术，使得游戏更加逼真，给玩家打造梦幻般的游戏体验。
光线追踪是新奇事物吗？其实它一直都在。
光线追踪（Ray tracing )来自于几何光学的一项通用技术，它通过模拟光与物体或表面之间的作用，得到光线的路径。该技术广泛应用于计算机图形学。
第一时期：光线投射 Ray Casting
1968年，IBM的Arthur Appel提出了一种用于光线追踪的算法，完成了图片渲染的雏形仿真。彼时它的名字叫做ray casting。
第二时期：光线追踪 Ray Tracing
1979 年，Turner Whitted详细解释了如何捕捉光的反射、折射和散射。创造性的引入光与物体表面的交互作用，让光线可以在空间中持续传播。该方法也被称为经典光线追踪法、递归式光线追踪（Recursive Ray Tracing）方法，或 Whitted-style 光线追踪方法。
第三时期：光学渲染 Rendering
1984 年，Lucasfilm 的 Robert Cook、Thomas Porter 和 Loren Carpenter将蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）引入到光线追踪领域，将经典算法扩展为分布式光线追踪算法（Distributed Ray Tracing）。
1986年，加州理工学院Jim Kajiya教授进一步描述了光的散射现象。
这两篇重要的论文完善了计算机图形学早期的构架，此时数字电影也应运而生。光线追踪技术可以完成许多传统电影制作中做不到的镜头或画面，使影片更完美。这样的应用彻底颠覆了电影的制作方式。
▲ 电影《狮子王》利用光线追踪技术渲染的画面
第四时期：光学仿真 Optical Simulation
虽然光学渲染在电影产业中取得了巨大成功，但是在科学与工程领域却是荒漠。
20世纪90年代，伴随着计算机产业的迅猛发展，业界对于光学仿真的需求逐步增多，一些研究型或商业型组织开始积极地着手编写用途更为广泛的软件。
在这样的时代背景下，涌现了一大批早期的光学仿真软件，这些软件可以解决各类工程技术中的光学难题。作为其中的翘楚，诞生于1989年的SPEOS采用改良的蒙特卡洛算法，经过多年的沉淀，如今已经在众多领域实现了突破。
第五时期：实时光线追踪 Real-time Ray Tracing
2018年，微软宣布了DXR（DirectX Ray Tracing）的问世。这一年，NVIDIA宣布了用于光线追踪的新架构Turing，以及搭载实时光线追踪技术的RTX系列显卡。在这之后的短短两年间，RTX Ray Tracing已成为产品设计、建筑、游戏、特效和科学可视化领域的全新行业标准。
在NVIDIA RTX GPU及技术的支持下，Ansys SPEOS与Ansys VRXPERIENCE均得到了巨大提升。其中Ansys SPEOS致力于光学产品前期的处理和预测，在具备支持GPU预览功能的前提下，可以快速有效地判断模拟结果，减少错误的产生，为后期开模节省更多的宝贵时间。
此外，Ansys VRXPERIENCE 系列产品可以实现在虚拟现实中评估人机交互和感知质量、验证高端内饰、感知真实材料、评估内饰造型，以及体验沉浸式的光学效果，从而减少物理样机，大大提升分析效率。
第六时期：赛博朋克 2077
实时光线追踪技术，在计算机图形学发展的长河中，虽然起步不久，但爆发力强。
在目前，这项技术的核心主要聚焦在如何模拟更为”真实”的世界，但也许未来该技术能改变许多行业应用，开辟出无限多的可能。
对于未来，我们很期待。
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