没有这项技术 赛博朋克2077就废了？
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拖延已久的赛博朋克2077，在发布前已经多次冲向热搜。爱玩游戏的朋友表示要剁手，而边肖只能摸着干瘪的钱包暗暗叹息。
但现在是白嫖赢得白嫖.的时候了。看别人打比赛什么的最舒服。
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说到赛博朋克风格,这款游戏可以算是赛博朋克的强力药物，可以一次给你足够的赛博朋克。黑暗中迷幻的霓虹灯管，与信息技术的爆炸，与一排排高楼大厦和泥泞的街道，与熙熙攘攘的城市，与角落里昏昏欲睡的贫民窟，有着奇妙的化学反应。
来源：赛博朋克2077
在迷幻而眩晕的霓虹街区，未来的科技充满了斑驳的光影。要是不开启光线追踪（Ray tracing），这款游戏的体验会大打折扣.不管是高配的玩家还是低配的玩家，打开游戏的时候都会偷偷戳，想试试。如果显卡不符合要求，游戏界面会严重掉线。即便如此，玩家还是会不断的为自己的配置找一些X号。
01
赛博朋克：霓虹灯科幻
20世纪六七十年代，赛博朋克出现在科幻文学中，反映了科学技术的快速发展。“Cyberpunk”结合了“Cyber”(电脑、互联网)和“punk”(朋克，代表反叛、不满和自由)，被翻译成“网络朋克”。一半是控制，一半是反控制这个词本身就是一个矛盾和冲突的存在。
赛博朋克的核心话题是“High Tech Low Life”.“高科技”，它结合了人类社会几乎所有尖端科技的幻想，所以你可以在这个游戏里看到机械物体的生物安装，从而实现机械翱翔，此外还有生物克隆和人工智能等。然而，这些技术正在逐渐成为现实！“低生活”代表着与“高科技”形成鲜明对比的人的“落后”。
《The Future is Now》插图
强调光影的赛博朋克自然在游戏制作，在光影处理中肯定是要High Tech啦~
02
图形渲染中的Low Tech
渲染技术里与光线追踪对应的的Low Tech就是指光栅化渲染,是一种二维方法，通过改变像素的颜色来模拟三维效果，如阴影。可以想象，每一个场景都在拍照，看到的颜色都反映在照片的像素上。这就和实验室里常见的电子显微镜逐点成像类似。
如果我们看到的是一个小球，那么这个小球的整体颜色就是黄色。但是在背离光源的一侧会有阴影，拍照时这部分的像素会被渲染成灰色，让我们看起来像是看到了一个立体的球。
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然而，对于一个釉面反射的物体,想要模拟出最真实的光影效果，在光栅化渲染中，可能就需要用很复杂的算法,来说，通常这些算法并不是最真实的，它们只是为了模拟而模拟，根本不能渲染出接近真实世界的效果，尤其是在光的反射下。嗯，当然，可以很简单。
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在镜面反射,最常用的做法就是在镜子的对面再建一个相同场景的模型,这是一个非常高的游戏成本。如果场景中有碎玻璃，多面镜的场景，根本无法建模。（倒吊人直呼内行）
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在这种渲染是全局的，也是“一劳永逸”的，但是这一劳可能就是好几年,前期工作量非常大，需要在渲染过程中不断从各个角度优化视觉效果。在游戏过程中，需要先计算出整个场景中的光影效果，然后从这个角度去读取图像。你可以想象高中考试，老师出了一道选择题（要某个视角下拍的照片），飞速计算了一页草稿纸（全局运算），然后就为了选个C（照片）。
03
光线追踪技术：
赛博朋克2077的High Tech
另一方面，光线追踪技术,开始接近真实的物理世界。与光栅渲染相比，这更是一种一劳永逸的方法,只需要建立一个合适的模型(包括法线位置、表面材料相关参数等。)，电脑想拍照的时候，不再是被动接收光线，而是向物体发射几条光线。这些光线将在视场中的物体上反射，散射，折射，直到它们到达光源或被反射指定的次数。
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在这个过程中，我们可以反映出其他物体或光线对物体表面颜色的影响。这些光线彼此不知道对方，但却知道整个场景的信息。
1980年Turner Whitted发表了论文提出了最经典的光线追踪渲染方法.如你所见，眼睛发出的光经过两次折射，得到模型中三点的光影信息，也许还能得到更多，但实际上这已经比光栅渲染真实很多了.这不是时间反演。其实主要是基于物理学中光路可逆定律。与其计算全局光路图，不如只计算我想看的那部分像素颜色。
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以高中考试为例。就像一个不谈道德的年轻人。看到这个选择题，他觉得好麻烦，不想数。直接进行反向骚操作,把选项中的几个答案带入原问题，反推出一波，发现只有C能够能够自恰，那好就选C了.还是按照黄金比例，人像雕塑上的体长是多少，直接上尺子量不香吗?……
为了更接近真实的物理世界，尤其是釉面反射。1984年的Cook提出随机理论，也就是分散式光线追踪(分布光线追踪).釉面物体上反射光的强度和方向会分散成多条光线，所以这一点的颜色也会受到多个方向物体的影响。如图，像素采集点反射的光线有三条，只有三分之二才能到达场景的光源，所以这个点的亮度会比完全暴露在光源下的部分暗三分之一左右。虽然不够准确，但这同样也是比较符合实际物理世界规律的。,
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这样，我们可以模拟柔和的光影、釉面的反射，使光线看起来更柔和、更真实。如果你有印象，你的生活中应该遇到过影子相吸现象，原理同上，但如果渲染的好，这种现象肯定也存在于游戏中，期待细心的读者来打(伸)脸。
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图形渲染的目标和物理世界殊途同归——简化,统一所有理论是另一个重要的飞跃。1986年提出的Kajiya式漫反射理论,可以称为渲染方程.
04
渲染方程：
接近物理世界的处理方法
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在现实生活中，光是从各个方向发出的。每一点的颜色是多个路径光色彩的叠加，,我们不再只是向一个点发射一束光，我们发射更多的光。将收集的信息叠加在一个像素上，甚至有一些位置偏移。这样获得的图像质量可以消除混叠，使边缘更加柔和。
公式化语言可以直接表示为如下公式： (
渲染方程
也就是说，我们眼睛在一个模型上所看到的颜色，受到四个方面的影响就是模型自身发光、模型受到光照的情况、模型的材质（即反射能力）和模型的朝向.可以看出，模型和接收到的光的相互作用包括后三种，这个三者的影响进行球面上的积分就是用来综合整个空间的光对这个模型颜色的影响。这就是我们今天提到的光线追踪的核心了。
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光线追踪在游戏中出现也是近十年的事情，在过去光线追踪经常用于不计成本的影视作品中，来得到良好的视觉效果.但是要知道光在空间的传输是非常复杂的，涉及到电动力学的内容。而且，光的奇特现象并不止于此。如果干涉，衍射能体现在其中，那可能是通过上一段楼梯的突破。
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技术的进化总是这样。为了抽象本质，选择了简化的物理模型，模型不断优化，以接近最本质的物理世界，获得更好的体验。
但是游戏的虚拟体验，带给人类的幻想却是无止境的。我们，还有路要走。
参考文献：
[1]郑弘纪心如。[2]赛博朋克艺术的视觉美学[J].艺术研究，2020(05):14-15。
[2]朱江认为。从设计符号学的角度探索赛博朋克的视觉元素[J]。设计，2020，33(11):52-54。
[3]射线追踪——nvidia.cn
[4]光线追踪(图形)——wikipedia.org
编辑：Kun
