游戏技术-游戏引擎揭示全新3D技术

转载自：PCPRO
　　
　　自1996年3Dfx推出Voodoo加速卡至今，计算机上的3D图形技术已经走过漫漫8年光阴，在这8年间我们感受到3D技术的飞速提升。GPU更新换代的频率大大超过摩尔定律，而对应的3D游戏则一代比一代精美。第一代3D游戏更多只是让大家感受到3D技术的奇妙之处，但如今我们所看到的3D画面都已高度精美，各种特效技术的应用让虚拟的3D世界变得越来越逼真。这样的趋势在今后仍将继续，实现电影画质是3D技术的终极目标，而要将它从梦想变为现实就需要包括GPU开发商、游戏开发商以及API标准制定组织的共同参与。更重要的是，所有这一切必须在实实在在的应用层面上一步一步向前推进。
　　
　　

　　
　　然而，图形业过往的历史并非如此。来自游戏需求的应用驱动力往往没能持续多长时间，显卡厂商更多是为了不在新一轮竞争中落后而竭尽全力开发新品，市场竞争成为新的驱动力量。但对消费者而言，这一切显得乏味无比，换不换显卡对3D游戏的流畅度都没有直观的影响，至少玩家们大多无法体验到新显卡能带来多少提升。显然，如果图形业继续在市场竞争驱动力下发展，将会失去正确的方向，幸运的是，新一代大型3D游戏的蜂拥出现让阴霾一扫而空。id Software祭出的DOOM3、Epic推出的虚幻3.0引擎（Unreal Engine3.0，简称UE3）、即将发布的CS2，以及未来的Quake4，这些第一人称射击游戏具有的共同点就是超级精美的画面，对显卡硬件的要求非常之高，虽然nVIDIA与ATi的新一代显卡性能号称恐怖，可面对这些游戏也仅是刚好够用而已。毫无疑问，新一代游戏的逐渐流行将带动整个硬件市场，显卡技术提升的驱动力不再是激烈的市场竞争，而是实实在在的应用需求，由此带动整个图形产业向前发展，其积极意义显而易见。
　　
　　 光怪陆离的游戏技术
　　
　　在3D游戏大家族中，第一人称射击游戏占有重要的地位，该领域的领导者则是著名的id Software公司，我们熟知的游戏，包括《德军总部》系列、《毁灭战士（DOOM）》系列、《雷神之锤（Quake）》系统均出自这家公司之手。在刚过去的8月份，id Software发布了人们期待已久的大作DOOM3，这部游戏因复杂精美的3D画面和令人乍舌的硬件要求而吊起全世界所有游戏玩家的胃口，DOOM3引擎也将成为Quake 4游戏的基础（Quake 4预计将于年末发布）。除了id Software，同样大名鼎鼎的Epic游戏公司也在开发面向未来游戏的UE3引擎，从透露出来的消息看，UE3同样具备超高精度的画面水准，即便如GeForce 6800 Ultra之类的顶级显卡也难以流畅驱动采用该引擎的未来游戏。在API选择上，id Software仍然使用传统的OpenGL，而Epic游戏公司则选择微软DirectX来打造UE3。可以预见，DOOM3和UE3将成为未来3D游戏的基础引擎，从它们身上我们便可以了解下一代游戏将具有哪些激动人心的新特性，也可以从侧面了解未来显卡的技术走向。
　　
　　 DOOM3的特效技术
　　
　　DOOM3给人最大的震撼之处在于，它的3D画面相当华美，尤其是阴影光源效果极度真实，许多玩家都觉得匪夷所思，如此精美的3D画面是如何产生的呢？奥秘在于DOOM3所采用的下列几项关键技术：动态阴影效果、整体凹凸映射以及新一代光源效果。
　　
　　 动态阴影效果（Shadow Volume）
　　
　　在现实世界中，只要有光照，物体就一定会留下阴影，如果物体运动，阴影也会随之改变。在计算机的三维世界中情况同样如此，为获得足够真实的效果，阴影处理向来都是重中之重。目前，较流行的阴影生成技术是“阴影映射”（Shadow Mapping），该技术实现起来较为简单，可发挥出GPU可编程设计的潜力，但它只适合处理静态场景的阴影，若用于动态光源或移动物体的阴影处理，就会出现硬件资源耗尽的情形，显得力不从心。显然，它不可能为DOOM3所用。
　　
　　

图1 DOOM3高度真实的动态光影效果

　　
　　为解决阴影映射难以处理动态效果的问题，DOOM3引入一种特殊的“动态阴影效果”（Shadow Volume），它的强项正是对动态阴影的处理。这项技术十分成功，我们可以在DOOM3中看到，无论场景存在多少数量的动态光源或者多个物体同时移动，光影变幻始终都是同步进行，与我们的真实世界无异，这也是以往游戏所难以比拟的。
　　
　　不过，“动态阴影效果”也有自己的缺点。例如它对CPU依赖比较严重，在物理运算量较大的场景中可能导致CPU运算力不足的问题，而将该部分任务交给GPU又不现实，因为现在的GPU都无法在芯片内部产生新的顶点，光影计算工作只能由CPU来完成，这也是DOOM3对CPU要求比其他游戏来得高的一大原因。当然，下一代API可以考虑将这项技术加以整合，通过标准化的做法让GPU芯片来执行动态光影运算任务，这将大大减轻CPU的负担。