打开真实世界之门,从《我的世界RTX》谈光线追踪软硬件

2020-02-24 17:11:48 11点赞 7收藏 10评论

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如果要说什么游戏最耐玩的话,相信《GTA5》、《文明6》以及《我的世界》都是大家第一时间想到的游戏。GTA5是一个开放型沙盒游戏,里面的互动性堪比真实世界;文明6的AI人工智能超高,强大的运算能力让你感受到真正与一个甚至多个国家博弈的压力;而我的世界却是可以创造一切的游戏,国内外都有大神在《我的世界》中还原现实世界里面的奇迹级别的建筑。

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上图为国内团队恢宏巨作:忒伊亚大陆。可以看到,只要你有足够的心思和精力,《我的世界》可以满足你的创意和期望。

当然了,相比于3A大作来说,《我的世界》独特的画风不是所有玩家可以理解的。简单来说,《我的世界》是一个通过像素和创意组成的游戏,消灭一切像素点和锯齿?不,这是3D建模软件的工作,不是《我的世界》的使命。

不过,近两年NVIDIA致力通过光线追踪技术让经典大作焕发新生命,其中《雷神之锤2》和《我的世界》均在此列。

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上图就是公布出来的我的世界的画面,左边是打开了RTX光线追踪技术的效果,而右边为原来的游戏效果。有兴趣的朋友可以直接看相关的视频了解更加多。

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通过RTX光线追踪技术,我们不仅仅可以通过实时生成的倒影见到更多有趣的东西,也能产生新的互动方式,比方说,我曾经在《战地5》游戏里面打开光线追踪效果,通过路上积水的倒影发现侧后方有人而实现反杀。

我们可以看到物品上面更多细微的反光而更接近于真实世界的体验,甚至我们可以感受到游戏世界里面空气的存在甚至大气的浓度。这些都是通过光线追踪技术实现的。

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可以说,电影以及游戏是推动CG图形技术发展的重大应用。早在1982年上演的《银翼杀手》已经可以通过CG渲染实现美轮美奂赛博朋克风格的未来世界。但是游戏和电影不一样,游戏不可能联合多台高端计算机一起渲染,也不能等待数天数天甚至更久来等待一帧的画面。所以同期,我们能玩到的游戏仅仅是吃豆人一个级别,仅仅通过几何图形组成连像素画都算不上的游戏。

而到了1993年才有史上第一个3D格斗游戏--《VR战士》,从上图可以看到不仅仅人物就是简单粗暴方块,影子完完全全就是以前2D清版类型游戏,类似于三国志2、圆桌骑士那种简单的一坨黑影的表现方式。什么点光源、投影之类的东西?那是不存在的。

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显然玩家并不可能对这种VR战士的立体方块或者古墓丽影的迷之尖锥抱有太多兴趣,至少我在1994-1997年时候对于KOF拳皇和火炎之纹章这一类传统2D游戏投入更多。

前面说了,我们的电脑不是不能运算出类似于《玩具总动员》里面相对真实的光影效果,而是无法实时运算出来。所以游戏一般采用的是另一种被称为“光栅化”的渲染技术。

光栅化可以简单理解为直接把三维空间的物体拍扁了投射到二维屏幕上。然而,这并不是真实的计算,而是仅仅把预定的效果“告诉”玩家,至于什么漫反射、镜面反射是不存在的。相当于,我是一个篮球盲,你告诉我去机场接一个2米多高的人,那个就是姚明。然而,因为我不认识,分分钟可能把易建联带了回来。

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为了实现更好的3D效果,又要能让当时的CPU和3D显卡能承受得起。因此,业界采用了一种障眼法技术--“Cubemap”的倒影图。这种倒影图会预先渲染好,在游戏过程中实时叠加在玻璃、油漆这样光滑的表面上,造成倒影的错觉。倒影图一套有六张,拼起来正好是一个包围住场景的立方体。由于Cubemap是预先渲染好的,周围环境的变化就没法在Cubemap上实时体现了。比方说,倒影的大厦倒塌、着火甚至凭空消失,这些都不可能表现出来。

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而近几年出现的环境光线效果的概念,其实也就是障眼法2.0.。只不过过往是用2D障眼法,变成了3D障眼法而已。屏幕空间反射(Screen-space reflection),通过截取已经渲染好的画面元素,通过反转和拉伸叠加到光滑的表面上,伪装成镜面反射的样子。

屏幕空间反射(Screen-space reflection)技术只能“复制粘贴”已经渲染好的3D画面,而不考虑真实性和互动性,甚至有可能出现各种迷之bug。

受限于过往的技术和硬件条件的限制,过往游戏里面的光影效果基本上是障眼法而已。

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没有光影的3D游戏世界是不真实的,没有光与暗的变化,没有虚与实的区别,所有的物件和背景都是一个亮度,自然就像积木一样。而伪光影效果,只能通过取巧或者是预定回放欺骗眼球。打个比方,最古老的阴影就是脚下一坨圆形的黑色,不管“人物”多高多壮都是一坨。这样就好像一个1米4多身高,身材娇小的妹纸对2.2米身高200KG的大块头用梅花大坐那样子滑稽。

而真正意义的光影效果就是光线追踪,同样以《我的世界RTX》为例,打开光线追踪以后,水面就有了真实的反射和折射效果,我们看到水面波光粼粼的同时,还能看到颜色在水面流转。

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标准化的光线追踪(raytracing)是以光源为起点定义光线,进而追踪由此产生的光线与物体表面以及光线与光线之间交互关系的过程。但该技术目前实现起来非常困难,因为这一技术需要无限多的光线照射在物体表面,通过反射、折射、漫射等途径进入最终的“摄像机”成像。这一过程需要耗费大量的算力(当前PC的计算能力无法做到)且会有大量光线损失,此次NVIDIA推出的RTX 20系显卡包括现在绝大多数光线追踪技术采用的都是逆向思维,即以“摄像机”镜头为出发点,反向回溯光线并通过这些光线寻找光源。

实时光线追踪技术可以让玩家体验到更加真实的游戏场景,光线决定了物体表现的最终纹理,在体验游戏真实性上是一次巨大的技术革新。

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当然了,要实现实时光线追踪,还需要在硬件支持。而Turing图灵结构,可以说是一款从底层架构为光线追踪而生,革命性的GPU。

过往,我们的3D游戏运算需要大量的CPU运算,从NVIDIA GEForce 256开始引入T&

L引擎。T代表多边形L是光源运算,把这两项工作从CPU转到显卡硬件实现,开创了GPU的时代。

CUDA带来的是通用运算的时代,从此,我们的GPU不仅仅可以用来游戏、3D渲染还能给科学运算、人工智能等高端应用方面提供助力,而且比起传统的CPU运算效率更加高。

而Turing架构引入了RT Core也就是光线追踪运算单元以及Tensor core人工智能运算单元,又是GPU史上又一次刻在里程碑的革命性事件。

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Tensor core人工智能运算对于游戏中的运用是DLSS深度学习抗锯齿技术。光线追踪与DLSS两大技术的出现,带来3D游戏画面、光影效果、抗锯齿的质变。

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有了光线追踪,我们的游戏世界不在是橡皮泥人偶,不再是塑料积木,而是真实感觉到光线明暗分布,材质的差异,甚至空气的质感和厚度。无论是爆炸,火光都不会是一成不变的一坨,而是实时生成的不规则的波动;积水、金属面都能轻易倒影出周边的物件;各种材质的物件也能通过光影体验出真实的感觉。

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时至今日,,支持光线追踪的游戏越来越多,战地5、地铁:离去、古墓丽影11、Control控制、Cyberpunk 2077赛博朋克2077、看门狗:军团、使命召唤16:现代战争、重生边缘、AMID EVIL邪恶之中、光明记忆:无限、吸血鬼:避世血族2、轩辕剑7、仙剑奇侠传七、逆水寒、边境、铃兰计划、暗影火炬、ProjectX、无限法则、剑侠情缘网络版,我的世界、雷神之锤RTX,选择还是不少的。

要体验光线追踪大作,最好当然是顶级的RTX2080TI,不过入门级的RTX2060 super已经相当出色。

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RTX2060 super不仅仅是多了2GB显存,而是规格、频率方面全面升级,其中RT cores从原来2060的48个升级到64个,已经追平了之前的RTX2070.某个程度来说,RTX2060 super可以说是一张小号的RTX2070,真正的加量不加价。

当然了,规格升级的话,对于供电和造工的要求也有小幅度提高。

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以华硕ROG STRIX RTX2060super为例,供电规模达到了12相,全部采用超合金电感和超合金电容,可靠性和频率都远超于公版。

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全部供电电路都使用了定制的超合金电容和电感,MosFET都是整合上下桥的一体式MosFET,不过核心供电与显存供电所用的有些不同,核心供电使用的是德州仪器的CSD95481RWJ NeXFET,最高支持70A电流,显存供电使用的则是IR的TDA21462,最高支持60A电流。

PWM供电主控则分为两套,显存由uP9512Q进行控制,核心供电则由MPS的MP2888A负责,这颗主控支持NVIDIA Open Voltage Regulator功能,不过其本身只支持最高10相的控制,因此它还搭配了3颗uP7561Q倍相器,10相PWM扩展为16相PWM,以完成对显卡核心供电的控制。

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散热方面,华硕ROG STRIX RTX 2060 super配置了新的轴流风扇,风扇使用的是台湾鑫贺EverFlow的,支持低速停转功能新的散热系统带来的变化是非常明显的,满载温度仅有68摄氏度。搭配六根与铜底接触的热管,热管和铜底接触的地方是散热做工的体现,STRIX2080Ti散热器的热管和铜底之间接触紧密,没有空隙,也没有多余的焊料。散热器前部仍然有直接接触MOS的导热垫,异形鳍片的设计能照顾供电管理芯片等发热大户。

六根热管通过直触GPU,最大限度把热量带出到铝片,再通过三把轴流风扇把热量带出外部,从而实现降温。

除了GPU以外,mos以及供电芯片具有专门的散热,非常着重细节处理。再来看看供电以及其他细节。

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从规格上来看,RTX2060 super接近于RTX2070,但是华硕ROG STRIX RTX 2060 super采用的是STRIX家族的散热设计,散热规格甚至比起某些公版频率的RTX2080还要高。当然了,散热给力,带来了长时间满载温度仅仅68度,并且风扇噪音低到可以忽略。

介绍完显卡,我们再来看看性能方面。

测试之前,先来介绍一下测试平台:

CPU:i9 9900k ES版

散热器:ROG STRIX LC 飞龙240RGB

主板:ROG STRIX Z390-E GAMING

内存:铭瑄 DDR4 2400 灯条(支持AURA神光同步)

显卡:华硕ROG STRIX RTX2060 super

SSD:WD 黑盘 1TB

机箱:安钛克DP501 RGB(支持AURA)

由于此文主要探讨光线追踪以及篇幅限制,测试结果仅仅提供光线追踪部分。

1、3dmark

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3dmark的Port Royal场景是一个基准测试,方便大家直观了解到显卡的光线追踪性能以及简单体验一下光线追踪的画面,值得推荐。

RTX2060 super取得了5284分的成绩,比起过往公版的RTX2060的分数不到4000,提升太多了。

 

2、战地5

战地5的光线追踪有多档设置,而且还可以DLSS深度学习抗锯齿技术。

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开启光线追踪不开DLSS大约是60-80帧幅度,开启光线追踪与DLSS以后是80-95的幅度,而关闭光线追踪和DLSS之后帧数能上100帧到110帧,但是请仔细看第三张图,明显不如开启光线追踪以后的效果了。

3、地铁:离去

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地铁的主题比较灰暗,也是东欧游戏的特色之一。不过,光影效果以及优化倒是很给力的说。尤其是第四张图,请感受一下冰与火交织的震撼吧。

开启光线追踪和DLSS以后,依然保持过百帧,优化确实可以的说。

4、古墓丽影11暗影

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古墓丽影属于一个典型的探险类游戏,也许因为涉及到地宫、遗迹所以有古墓丽影之说。开启光线追踪以后,光影照在劳拉身上会有着动态的变化,尤其是结合海飞丝头发特效技术以后,真实感和沉浸感大大提高。

而光线追踪和DLSS一起开启以后,游戏轻轻松松保持在70帧以上的水平,流畅度自然更有保证。

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光线追踪的路上,NVIDIA并不是一个人在战斗,游戏开发、微软DirectX API给予支持以及业界也对光线追踪技术投以开放态度,光线追踪的游戏数量和质量上面必然会增加。

科技是持续发展的,早期DX9的动态模糊都有人说受不了,但是这是一种对真实的模拟,就好像绝地求生、CS都有压枪的硬性技术要求一样。DX11出来的时候,也是对于显卡要求提高,但是曲面曲面细分技术带来了更加真实的凹凸和阴影效果,这也是革命性。

光线追踪刚出来的时候,确实对GPU是一大考验,但是随着DLSS的开启以及驱动的优化以后开启光线追踪的损耗在减少,实用性逐渐提高。

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为什么需要光影以及各种动态细节?如果说,一个人灭了对方一团以后还能头发不乱,衣服干净坐在沙发上面喝咖啡的话,那种只能说神剧,过往,我们游戏的主角基本上就是无论受到什么攻击都是可以轻轻松松地说“I’m fine,Thank you,and you?”,更别说硬度比起叹息之墙还有结实的游戏场景了,那种东西并不真实。

以战地5为代表的新一代光线追踪游戏,给我们的3D世界是不一样的。人物的倒影会随着周边的光线有所变化,我们甚至可以通过明暗变化察觉敌方的位置。各种场景和载具都是合理可以破坏,我们会让对方失去掩体,并予以打击。

而要实现这一切并不需要等太久,并不一定需要一对旗舰级的显卡,现在就可以用RTX2060 super进行体验’。

 

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