Epic 談論「撒瑪利亞人」宣傳影片& 顯示卡的未來 - 第二頁

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在廣告看板的特寫鏡頭出現之後,隨之而來是第一次現身的撒馬利亞人。 主角的前幾個畫面凸顯出更強化的粒子特效、局部動態模糊,以及前述的照明系統,但當撒馬利亞人將瓦斯噴火槍靠近其臉部時,次表面分散(Subsurface Scattering)首度現身。


「撒瑪利亞人」宣傳影片中的次表面分散技術。

次表面分散技術用於解決「塑性蠟」現象,在此現象中,光射到表面時,僅會彈回,彷彿人物角色是用塑膠做的。此項技術採用向前照明(Forward Lighting)方法,會使光射到物體表面時、散射到其內部,然後從不同的位置射出。 就「撒瑪利亞人」宣傳影片而言,射到人物皮膚的光會被吸收,擬真的在皮膚下變化,然後從不同的位置射出。 在真實世界的例子中,用手拿著手電筒在灰暗的室內照射,觀察光從另一側持續照射,照明黑暗。


在左圖,臉上僅有散射光;在中間的圖上,採用次表面分散技術;在右圖,結合兩種方法。 注意最後呈現的成果,反射光澤變少,而且光會散開了,而非向像第一個例子中一樣,固定在一處。

由於人眼素來就會觀察臉部與物體上的細節,以便於立即辨認出威脅與情緒,因此對於 Epic 而言,次表面分散技術是尤其重要的一項技術。而且研究指出,要達成遊戲內如有如相片般的真實感,最大的阻礙在於臉部的呈現,僅管這不僅涉及光線與建模,還包括個人特有動作、眼睛與嘴巴的移動等等,但 Epic 的進展讓我們更接近 Uncanny Valley 效果。 但仍有改善的空間,Epic 坦承,由於技術的限制,使光可以穿透皮膚的層數有限,亦使從光源散射到一個物體的光難以為其他物體吸收。

瓦斯噴火槍及之後的特寫鏡頭亦凸顯出另一項重大的進展,真實頭髮。 自率先採用多邊形以來,這就是遊戲不斷想要改進之處。頭髮一般而言都是以實心區塊著色,在個別以幾條髮絲著色,或最近在預算充足的遊戲內,以多個厚實不透明的圖層著色。

為解決此問題,Epic 已依據現有的網狀皮膚技術,使用攝影機對準三角片帶(Camera Aligned Triangle Strip)打造出創新的解決方案。 這些非常薄的三角片帶頂點使用頂點著色器(Vertex Shader)擴充,因此5,000個三角形splines 會變成 16,000 個三角形,並使用包含36根個人頭髮的貼圖材質,便打造出栩栩如生的頭髮與鬍子,如同在撒馬利亞人主角身上所見。


將樣條 (左) 置入頂點著色器內,用於操控打造放於角色頭部或臉龐上的 (右)。 依此方式操控5,000條樣條,製作撒馬利亞人主角的頭髮。

此方法的不利之處在於,會在遊戲內模型上產生鋸齒狀的線條,因此鬍子最稀疏之處的表現無法於現代遊戲所接受。 解決方法則是對場景內的每個物體採用4倍的多重取樣反鋸齒技術,然後對主角與臉上的每根頭髮更進一步採用超級取樣反鋸齒技術,以呈現如「撒瑪利亞人」宣傳影片中所見的柔順擬真外觀。 Epic 的 Mittring 解釋:「不幸的是,MSAA需要耗費許多記憶體。」 「4x MSAA 需要5倍多的材質記憶體,致使延遲算圖器(Deferred Renderer)承受更重的負擔。」 Mittring 可不是在開玩笑 – Epic 在「撒瑪利亞人」宣傳影片中已達到 GeForce GTX 580 的記憶體容量限制「1.5GB」。 但如同以下放大檢視的例子所示,最終的成果顯示這樣作是值得,呈現出遊戲中更栩栩如生的頭髮。


加入超級取樣反鋸齒 (右圖) 後,大幅提升視效逼真度。


最後如「撒瑪利亞人」宣傳影片所示。

Epic 採用個別髮絲的方法具有另一項優勢,因為光可以穿過髮頭髮,適時為每根髮絲打出陰影,而且這類光還可透過前述的次表面分散技術穿過頭皮與臉部組織。

隨著「撒瑪利亞人」宣傳影片的故事繼續開演,主角注意到人行道上的爭端,在此爭端中,未來華盛頓DC的警方正無情地攻擊街道上的居民。 介入爭端之前,撒瑪利亞人的皮膚突然轉變成金屬或石頭體外盔甲,而此為宣傳影片中令人印象最為深刻的場景。 雖然之前的特效非常細微,或僅是讓人更能融入情境,此變形特效正面在影片中心現身,而此流暢度令人驚艷。


撒瑪利亞人的變形。

此變形特效透過最新的 NVIDIA 顯卡中主要的功能「細分曲面(Tessellation)」達成。Epic 的 Mittring 「很喜歡玩此功能。」 細分曲面功能會在人物角色上創造新的細部材質,而不需將第二個額外的角色模型載入場景中,將原本的角色模型刪除。 為產生此細部材質,變將角色模型細分曲面,製作可操控的額外多邊型,然後讓預先製作好的置換貼圖(Displacement Map)告知模型要在何處及如何放置這些額外的多邊形,就像以下的例子所示。


不同的三個變形階段,每個階段雖然都是由置換貼圖下令,但原先都是由 GPU 的 Tessellator 算圖。

Mittring解釋,在「撒瑪利亞人」宣傳影片中,主角的臉龐「融合三個不同的階段,隨著時間調整陰影與置換,並顯露出用於置換貼圖內的材質細節,我們採用更高的細分曲面等級。」 NVIDIA 的 Dudash 繼續表示,平面(Flat)法是最快達成細分曲面的方法,「因為我們不會執行樣條或其他元素的複雜數學運算」,而且在撒瑪利亞人變形時,細分曲面等級射為 6。

Dudash 解釋:「這對宣傳影片即以足夠,但在一般的遊戲情況下,則會想要使用動態細分曲面,隨著物體遠離攝影機或看不見物體時,減少細分曲面的程度。 在 Unreal Engine 3 中,將會加入此增進功能,開啟動態細分曲面技術」,因此有助於適時提升場景內的效能,並準備好為每個物體的全螢幕細分曲面鋪路。

Epic 執行長兼技術總監 Tim Sweeney 將此技術視為是業界在接下來的數年所要達成的標準。

首席圖形工程師 Sweeney 表示:「我認為業界正往正確的方向走去,準備將著色的三角形作為低層次的表面表示法。」 「三角形為呈現大多數場景與物體最為有效的一般基礎元素,而這些場景與物體大多不透明,且輪廓明確。 在瞭解這道理之後,我認為自己在REYES方面有很大的進展,透過細分曲面技術解構較高層次的物體。

Sweeney 指的是 Reyes 著色。根據其共同創作者 Robert L. Cook 指出,Reyes 為 Renders Everything You Ever Saw 的縮寫字,係由 Robert L. Cook 及 Loren Carpenteris 在1980年代中期創造的電腦軟體架構,用於3D電腦繪圖中,產生高品質的相片影像。 Cook 與 Carpenter 共事開發 Reyes 的公司為 Lucasfilm 的 Computer Graphics Research Group,而此公司現為皮克斯動畫 Pixar,是世界最受歡迎的電腦動畫影片的電影製作公司,例如玩具總動員及超人特攻隊。

在確立自己想要皮克斯動畫等級的繪圖後,Sweeney 擬定好即時達成此項成就所需的技術。

「讓我們有足夠將每像素多個三角形著色的更高三角形率,亦即,每秒 100 億個三角形,我們將可使用細分曲面與置換技術,將每個場景內的物體切成次像素三角形 -- 將此視為是「自然的」特效,正如同14年前自然的材質貼圖一樣。」 NVIDIA 最強大的顯示卡 GeForce GTX 590 每秒僅可處理 32 億個三角形,因此雖然 Sweeney 正在等候達成其抱負的技術現身, Sweeney 仍滿意「將持續演進的特效應用於以三角形構成之場景上,例如體積特效、粒子系統、後處理等。」

這正是 Epic 對於「撒瑪利亞人」宣傳影片所下的功夫,但其最終成果所展示的新特效又是 NVIDIA 的傑作。 Epic Games 資深引擎程式設計師James Golding表示:「人物角色上的『次要動作』為區別目前世代遊戲與預先算好圖之連續鏡頭的因素之一。」 「我們瞭解,出現穿上這樣具象徵意味的風衣外套,作出特技動作的人物角色時,此將非常重要。」 此外,隨著主角躍下大樓,衝向警察,其外套抗拒重力與自然力,在頭上飄揚著,然後在主角落地時戛然而止。


撒瑪利亞人英雄般的落在警官的頭上,痛擊警官,其外套隨著物理力量呈現逼真的擺動。

Golding 補述:「遊戲在衣服模擬這方面確實鑽研許久,但若要在外套上呈現我們想要的細節,則需比以往更逼真許多的擬真度與控制。」 與 NVIDIA 的 PhysX 團隊研發許多年後,我們認為此會是編碼人員與美術設計師掌握t APEX 衣服科技的絕佳機會。」 率先在2010年8月的一款遊戲中現身,衣服已是APEX 跨平台可擴充架構的一部分,可讓美術設計師創作出繁雜、高階的動態系統,而不需進行額外的程式設計。 Epic 首次 APEX 實驗提供破壞、粒子、擾動及植被模組,僅專注於前述的衣物方面。

Golding補充說明:「Max 與 Maya 外掛程式確實提供部分不錯的衣服工具,可讓美術設計師在其工具內預覽衣服的動作。」「美術設計師之後可以調整參數,直接在模擬網面上著色,呈現正確的外觀。」 「APEX 已內建於 Unreal Engine 供第三方使用,提供衣服網面與圖形網面變形的多執行緒及 GPU 加速模擬」,因此可讓Epic「即時模擬外套模型。」 新科技總是會予人一些好奇的空間,因此 Epic 很高興見到 APEX 「提供一些很棒的執行階段偵錯工具,有助於我們找出問題並輕鬆解決。」

最後將可呈現動感、逼真的外套,在動作滿百的高潮場景中,即時隨著主角的動作準確擺動,而在此場景中加入全新的 DirectX 11 技術,打造出未來即時電腦遊戲繪圖的超凡外觀。 如 Tim Sweeney 表示:「撒瑪利亞人宣傳影片旨在展現下世代電視遊樂器的潛能與現今高階PC的 DirectX 11 技術。」儘管Tim Sweeney承認「如衣服與後處理特效在技術上,有些相容於目前世代的電視遊樂器,但他相信撒瑪利亞人影片所帶來的影響將會持續許久。」


先不說主角的手部與臉部,場景內的所有層面皆採用延遲算圖技術,因此可提升效能10倍。

如 Sweeney 衷心認為,「獲得 Unreal Engine 3 授權的人皆可使用上述所有技術,而且這些技術已在現今的 PC 內使用,但更令人感到高興的是,無論預算或過往的經驗為何,這些技術已準備透過 Unreal 開發套件 供任何人使用。 當其他工作室一直到特定產品發行後才解除技術限制時,Epic 卻反奇道而行,採用此作法,Sweeney 對此表示,「鑒於產業內的進步越來越快,軟體與Windows作業系統一樣,每隔幾年幾行一次。」 軟體必須視為永久產品,持續演進,隨時可用。」 Sweeney 本身「想要與全世界分享Epic最新、最好的技術。」 Sweeney 進一步闡釋其論點:「從製作 Triple-A 遊戲獲得Unreal Engine 3授權之人,到UDK開發者社群,再到大學內學習開發的學生,每個人都可運用此技術,試用此技術。」

但 Unreal Engine 3 的未來? 將新技術加入現有的架構之上不會是最有效率的開發方法,主要是因為底層的核心架構在設計之初,並未考量到此類新增功能,同時Sweeney也同意,自己並未放棄Unreal Engine 3 。

「我們正在強化 Unreal Engine 3,使其成為本硬體世代最強大、功能最豐富的遊戲引擎。」 次世代有一天將會來臨,Sweeney 表示在那時:「隨著我們邁入下一個硬體世代 -- 思考一下從目前的 DirectX 11 硬體到搭載全新效能層級的未來電視遊樂器與電腦 -- 我們將把最新、最好的 Unreal Engine 3 與新型系統結合並重新簡化與架構現有系統,成為 Unreal Engine 4。」


撒瑪利亞人主角在場景慢慢變黑之前,擺出架勢,對抗強化機器人。

正如您所知,Unreal Engine 3 正在等候蓄勢待發的未來,而於本文章內所述的超凡新技術將開始在不久的將來於遊戲中浮現,儘管完整的套件可能要等些時候才能實現。

我們希望您能喜歡這次對於 Unreal Engine 3 的 DirectX 11 技術所做的深入探討。若有任何意見,請到 forums 留下您的寶貴意見。

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