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在进入到今天的文章之前，让我们先来看个视频：

相信很多人在第一次看到这个视频的时候，以为来自是哪个外国警察的记录仪。而当看到视频介绍的时候，才意识到这是一款游戏的画面。当然，不只是我们，许多国外观众看过后都质疑这是实拍，最后声量越来越大。

搞得游戏开发组迫不得已将开发画面公布出来，自证清白。

最近虽然科技圈的大事非常多，从AI技术的渗透，到低成本航天技术的发展，到量子计算机云平台的发展，到苹果MR设备千呼万唤始出来，但今天要聊的这件事绝对不应该被忽略，因为它是理解这个世界的基本方法之一——眼见为实——正在被颠覆。

而颠覆的根源，就是虚幻5引擎(UnReal5)。

作为业界最先进的游戏引擎和实时3D创作工具之一，虚幻引擎5的发布后，不仅越来越多像《Unrecord》这样的游戏涌现出来，也逐渐打开一扇通向虚拟拟真世界的大门。

左为约翰卡马克，右为蒂姆斯维尼

但为什么一款用于游戏开发的引擎会承担如此重任？以至于它的发布宣布了一个新的时代到来？这一切要从上个世纪80年代开始，在那个电子游戏的黄金时代里，虽然2D游戏大行其道，但开发者们还是绞尽脑汁想着如何才能把现实世界搬进到游戏中。

直到一个名叫约翰·卡马克的程序员的灵光乍现，开发出了《重返德军总部》和《Doom》，全世界的玩家们终于得以机会从《马里奥》的平面世界脱离出来，进入到更加拟真的3D世界。

虚幻1游戏的实际画面

而在1600公里之外，一个名叫蒂姆·斯维尼的程序员也在埋头研发同样的东西，只不过晚了几年，才搞出自己的第一款游戏引擎——虚幻。为了展示这款游戏的画面的真实，他顺手开发出了一款叫与引擎同名的游戏——虚幻。结果没想到一经面世，这款游戏就凭着不俗的画面效果大获成功。

极大的热度甚至让它在一度与《星际争霸》平起平坐，最终在100多万份的销量激励下，这个程序员开始决定打造更加贴近真实的画面。自此以后，虚幻在游戏界就成为了画质的代名词。从虚幻2到虚幻4，每次革新，都是游戏画面的一次飞越。

尽管画质越来越细腻，但玩家们在游戏中常常还是无法完全地融入进去。这是因为在渲染游戏画面的过程中始终有两座难以逾越的大山——光线和模型的细节。

尽管我们现在的显卡性能相比几十年前已经有了质的飞跃，但如果想要完全模拟自然界中的光线和现实中的物体，还是非常的费力。原因也很简单，这两种东西需要的计算量实在太大了。

接近真实光线的效果

自然界中的光线射到物体表面后，不只是照亮这个面，还会根据物体的表面材质发生折射，反射等各种情况。比如，在光线照射到红色的物体上，漫反射到周围的物体上，会给这个物体也映上一些红色。

而当光线照射在金属上，则更多的情况下会发生反射，此时周围的物体不仅会被反射出去的光线照亮，光线还会反射到我们的眼睛里，让我们看到周围的物体。

接近真实光线的效果

或者，当我们拉开窗帘后，并不会只有拉开的部分才会照亮，而是整个室内都会变亮，只不过随着光线的反射，离窗帘越远的地方，越暗。

3300万个三角形构成的模型

在模型的细节上也是一样，在3D世界中，模型往往都是由众多的三角形面所组成。这不仅因为三角形可以组成任意的形状，还因为它也是最简单的面，方便显卡来进行计算。

即使如此，如果想要精细地表现一个物体，往往都至少需要几万到十几万个三角形才可以。举个例子，我们面前展示的这个雕塑，如果要达到这种精细程度，需要渲染3300万个三角形才可以。并且这还只是3D场景中的一个物体，如果想要渲染一个恢弘且充满气势的场景，可能需要更多。

^{《爱死机第三季》截图}

虽然如此，在影视中，我们还是可以在影视作品中看到那些栩栩如生的3D动画，比如在《爱死机第三季》中，其中的《隧道墓穴》这一集是完全由虚幻所打造的。在这里，我们可以看到非常接近真实的光线效果和模型细节。

只不过与游戏中的实时渲染不同，这种画质的动画，常常需要在几百块显卡和CPU组成的渲染农场中渲染很久才可以。比如在3D动画鼻祖——《玩具总动员》当时在177台计算机的帮助下，基本上几十个小时才能渲染出一秒的动画。所以这种技术被称作离线渲染，顾名思义，靠它是无法完成实时渲染的。

因此，游戏开发者们必须要面对渲染的速度和画面的质量这两个难以调和的问题。经过多年的发展，在游戏的制作中，针对光线效果和模型细节分别产生了一些“邪门歪道”，在不降低渲染速度的同时，也提高了一定的光线效果和模型细节。

在光线效果中，开发者们为了减少显卡的运算量，会在光源不变的情况下，先将光源所带来的光照效果和阴影提前渲染好，放进缓存中，这样当玩家来到这个场景的时候，显卡就无需渲染，直接载入缓存中已经渲染好的效果就可以。在游戏的开发中，这个过程被称为光线烘焙。

《幽灵行动：荒野》中穿帮的光线效果

但是，这么做弊端也很明显，那些非静止的物品，以及和玩家产生互动的物品，都会在光线烘焙的情况下，发生很明显的穿帮效果。让玩家一秒出戏。

比如在《幽灵行动：荒野》中，玩家在击破房顶上的电灯后，周围的光晕并不会消失，或者把外面的灯打破，你会发现灯泡发出的光线依然存在！这就是光线烘焙的所带来的不真实感。所以即使像育碧这样的大型游戏开发公司，也会在这上面吃亏。

左侧为高模，右侧为低模

在模型的细节上，游戏开发者们基本上也延续这个思路。之前，我们提到过，如果想要提高模型的精细程度，就需要更多的三角形来组成这个模型。就比如图中的这个球，随着三角形的增多，球体也变得越来越光滑。在游戏开发中，这种三角形面数最多，细节最好的模型被称为高模。同理，被降低三角形数量后的模型被称为低模。

采用低模可以减轻显卡的工作量，从而提高画面的流畅度。为了弥补低模上的细节损失，开发人员常常采用一种叫做法线贴图的方式来弥补。法线贴图是一种记录深度的平面，把它附着到低模上后，低模看上去就和高模基本上没有区别，且因为只是平面，所以法线贴图并不会增加额外的计算开销。

LOD树木，从左至右，精度逐渐降低

除了法线贴图，模型师们还会做出从低模到高模过渡中的其他模型，这样一来，随着距离的改变，只要渲染相应的模型就可以了，这种叫做LOD的方法，也常常出现在现在的游戏中。

LOD的劣势

但法线贴图和LOD的劣势非常明显。首先因为法线贴图是平面，所以游戏中的许多细节是无法互动的，比如，墙面上的砖块因为是贴图，所以无法显示阴影，或者把砖块砸碎，都是无法实现的。更严重的是，当玩家贴近表面边缘或者大角度观察的时候，法线贴图的效果就会穿帮。

其次在LOD中，因为涉及到切换模型，所以在距离改变时，草和树木，突然从地面上长出来了，这个观感就太差了。更重要的是当模型师制作完高模型后，还要特别去绘制法线贴图和制作低模，从而大大增加游戏开发进度。

总而言之，想要靠目前的硬件性能达到真假难辨是一件很困难的事情。不过虚幻5的出现，终结了这个情况。在三年前发布演示Demo后，瞬间引燃了整个游戏圈，照片级的画面终于不再触不可及。

Lumen和Nanite与普通画面的对比，右侧为开启效果，左侧为关闭效果

而这一切全都要得益于虚幻5的两大看家技术：Lumen和Nanite。

Lumen是动态全局光照和反射系统，换句话讲，这是一种基于纯软件的动态光线追踪技术。不像以前的光线烘焙，有了Lumen的支持，场景中的所有物品，都会对光源的改变做出动态的改变，而不是一张贴图，就像现实中光照一样。

左侧为LUMEN，右侧为传统的光线烘焙

类似光照效果在之前也不是没有过，比如黄仁勋从RTX20系显卡开始狂推的光线追踪，就是要达到这种效果。只不过硬件的光追不仅需要软件游戏去适配，还给玩家的钱包造成不小的打击。而在虚幻5，全局光照和反射或者说光线追踪，完全是基于软件来实现的。

更重要的是，这以假乱真的光线效果所需要的硬件条件并不高，比如演示的Demo是在PS5上实现的，要知道PS5的显卡性能仅相当于2070，算上游戏机的性能优化，我们算它和2080相当。也就是说，想要达到与现实比肩的效果，现在你只需要一块5年前发布的中高端显卡就可以了。

采用Nanite以后，距离切换如同真实世界一样

而Nanite的出现，更是直接将法线贴图直接送上历史舞台。现在，模型师建好高模以后，直接放进游戏引擎，就可以了。建模的时候是什么样子，玩家在游戏中看到的就是什么样子。

想捡起沙滩上的贝壳，可以，想顺着凸出来的墙体爬上去，也行。并且因为取消了低模和高模的，物品在距离切换时，也不会有生硬的过渡。

有了Nanite以后，一个画面可以展示十多亿个三角形，是的，十多亿个三角形。同Lumen一样，达到如此细腻的模型效果，并不需要付出太大的代价。根据最新的资料来看，在4K超高清的分辨率下，运行这个Demo帧数基本上都稳定在50左右。如果将分辨率换成目前主流的1080或者2K，那么帧率将会达到100以上。同时，LOD所造成的烦人困扰也不再存在了！那些烦人的远近切换将变得无比的丝滑！

在这两大系统的加持下，虚幻5很快成为中小游戏开发公司的宠儿，除了开头播放的射击游戏《Unrecord》，中国玩家最为期待的《黑神话：悟空》也宣布将从虚幻4迁移到虚幻5。

接下来的几年当中，令人真假难辨将成为游戏的主打，而随着硬件性能的提升，相信过不了多久，令人分不清真假的画面将成为游戏的标配。

左侧为UE4的画面，右侧为UE5的画面

虽然Lumen和Nanite代表了游戏引擎跨时代的进步，但这背后也并不是虚幻一家的功劳，其背后是计算机图形学研究者们几十年的积累。比如Lumen，在仔细阅读相关技术后，会发现它是所有光线追踪技术的集大成者，你可以从这上面看到十几年前的技术思想，也可以看到虚幻的独特理解。

而在Nanite中还可以看到育碧在开发《刺客信条：大革命》中很多的技术的影子。也正是因为人类在追求拟真这条路上不断地进步，才让真实的画面照进游戏。

《曼达洛人》现场拍摄剧照

当然，如此好用的技术早已经不再局限于游戏开发。好莱坞的特效公司们已经把虚幻引擎融入到他们使用中，去年大火的星战衍生剧《曼达洛人》就是采用虚拟来制作的，因为没有绿幕，演员们表演时的代入感会更加带入。

建筑师无需渲染，即可快速得到想要的效果

在建筑业中，虚幻可以帮助建筑师们快速搭建出他们想要的效果，并且还可以进行接近现实的模拟。在交通运输，医疗等等多个领域，虚幻这种带来接近现实的体验都在帮助各行各业的专家们做出更好的成就。

虚幻5带来的《黑客帝国》

而现在随着AI的兴起，建造各种模型的效率将大幅度提升。到时候将这些逼真的模型塞进虚幻，马克·扎克伯格都不敢想的元宇宙基建就这么完成了。而这一切的原点，都源于人类在图形学路上不懈地追求。

人类似乎对于建造一个逼真的虚拟世界有着天然的兴趣，我们既希望在其中从未有过的经历，也希望在其中创造出从未存在的事物。这一切大概都源于我们的好奇心吧，只不过没想到它来的如此之快，估计沃卓斯基兄弟在拍摄《黑客帝国》的时候，没想到我们人类会如此接近这一切。

脑后插管和虚拟现实，都在加速地往前发展。人类利用自己的智慧和技术在这条路上狂奔，过不了多久，Unreal只剩Real，而我们都在见证这一切。

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