多年以来，电影工业冲在 “消化” 大量前沿计算机图形技术（computer graphics）的最前线。
例如新晋 3D 技术革命拥趸者、著名导演李安，就在去年推出的《双子杀手》中实现“数字造人”：完全通过 CG 复制出年轻版的威尔 · 史密斯。最新一届图灵奖，也青睐于电影工业十几年前所经历的特效革命，颁给了创造 3D 动画的两位皮克斯“前员工”—— Patrick Harahan 和 Catmull。
而随着不久前一款游戏引擎 Demo 的发布，显示出一场不可忽视的技术性升级飓风，同样刮到了游戏产业。
新款游戏引擎 “虚幻引擎 5” 在 PlayStation 5 上运行的实时 Demo 中，从光照渲染的表现力到物体细节的丰富程度，展现了罕见的视觉效果，如同从好莱坞 3D 电影中随意截取的片段，几乎是游戏引擎实现的最接近 “电影级” 画面体验的一次。
游戏引擎是开发者用来开发游戏、交互体验、AR/VR 应用的电脑程序。最初只是每次游戏开发中一些基本代码的集合，现发展成为包含多个子系统的开发框架，可谓游戏开发核心技术集大成之体现，使用者可以将 3D 模型、3D 环境、图像、音效、音乐等元素导入到游戏引擎中来实现创作。
游戏画面的视觉渲染工作，便是游戏引擎需要完成的一个环节。一款优秀的游戏引擎，本身就可以视为一台强大的渲染机器，因此也常被设计师们应用于电视、电影、广告、建筑、可视化设计等领域。
在游戏引擎的市占率方面，虚幻引擎是目前主要第三方引擎之一，由全球领先的游戏开发商和引擎研发商 Epic Games 所推出，包括《最终幻想 VII 重制版》《堡垒之夜》等众多知名游戏都基于这款引擎开发。最新宣布的虚幻引擎 5，计划在 2021 年早期发布预览版，于 2021 年晚期发布完整版，除了支持现世代主机以外，主要还将面向诸如 PlayStation 5、Xbox 为代表的次世代主机（现在的 PlayStation 4 和 Xbox One 还基于 7 年前的硬件技术）。
图丨虚幻引擎 5 Demo （来源：EPIC GAMES）
官方介绍，这款新的生产力工具在帮助游戏开发者节省大量时间的同时，也朝着完全真实的模拟更进一步：“使用该游戏引擎，开发者可将 4K 级别质量的 3D 资源导入游戏并运行”。
我们常说“立竿见影”，但将这种寻常光影现象在虚拟世界复现，特别对于强调实时互动感的游戏体验来说，难度又比制作 3D 电影更高。
虚幻引擎 5 的实时 “电影级” 画面背后，主要是这两大核心技术支撑：Nanite——允许通过美术建模直接将影视级别画质、亿级多边形组成的美术作品直接导入虚幻引擎并自动优化；Lumen——则提供了全动态全局光照解决方案，且无需专门的光线追踪硬件，就能在宏大而精细的场景中渲染间接镜面反射和无限反弹的漫反射，小到毫米级、大到千米级，将为美术师省下大量的时间。
图丨 曲面形状由三角网格数据结构来表达（来源：虚幻引擎 5 技术解析：几何图像的思想 ）
尤其容纳亿级多边形恐怕是其中最让游戏开发者们兴奋的一个点。
正如 "百万像素" 是衡量一张照片质量高低的指标，多边形数量是 3D 模型质量的一个基本指标，它是指模型的面数，例如，一个立方体有 6 个面。
这些多边形通常由三角形组成，就像 Demo 中所言，它是游戏和 AR/VR 体验中影响图形质量的主要因素。一个模型的多边形越多，3D 效果看起来就会越流畅、越逼真，所包含的信息和细节就越多。如同在低分辨率的照片中，你可以看到像素点，但在高分辨率的照片中，像素点几乎无法察觉。
诚然，开发者们自然希望自己的游戏中的模型质量越高越好，但现实是，硬件是一个限制因素。例如，一部手机就无法处理具有数百万个多边形的复杂 3D 模型，即使是大多数高端的 VR 体验，也需要对 3D 模型进行优化，即减少多边形的数量，让更多的带宽用于交互性和同时加载其他模型。一切都需要服务于实时体验。
因此，设计师们在创造一个作品时，他们需要时刻警惕每种设备或体验所允许的多边形数量上限。
（来源：EPIC GAMES）
虚幻引擎 5 所展示的，正是这种 “Less troubleshooting, more creation” 的效果：可容纳多达上亿个多边形共存，意味着创作者可以在不降低多边形数量，即不降低画质的情况下，充分展现作品。也正因如此，虚幻引擎 5 的问世在游戏设计师群体引发轰动。
“虚幻引擎 5 一夜之间将游戏领域数十年积累的很多技术翻页”。计算机图形学领域学者、纽约州立大学石溪分校教授顾险峰更是给出了如此高的评价。
虚幻引擎 5 发布后不久，顾险峰在网络上发布了详尽的专业技术分析。文中特别提到，Nanite 这种对多边形的容纳能力，让他想起 18 年前，其与 Gortler 教授、Hughes Hoppe 合作的 SIGGRAPH 论文 “几何图像” 中所提出的一种新颖思想——让两种不同的视觉数据走向统一。几何图像技术是基于著名数学家丘成桐和顾险峰创立的计算共形几何的算法。计算共形几何算法将任意三维曲面映射到平面区域，这种映射使得畸变最小，同时将三维曲面问题转化成二维平面问题，从而实现“降维攻击”。
图丨每个雕像具有 3300 万个多边形（来源：EPIC GAMES）
众所周知，这一轮基于深度学习的计算机视觉爆发，与其所需的视觉信息大数据的到位息息相关。
与计算机视觉不同，相较于感知和理解，图形学的核心问题更在于如何呈现和创造。相较之下，计算机图形学牵涉到大量复杂数学几何问题，造成了数据本身的门槛，也让该领域的可用数据量远未到所说的大数据级别。
而在虚拟世界中的视觉呈现效果，又主要由纹理和几何这两种类型的数据所支配。
图丨曲面共形参数化（来源：虚幻引擎 5 技术解析：几何图像的思想 ）
图丨大卫王头像的几何图像与法向纹理图（来源：虚幻引擎 5 技术解析：几何图像的思想 ）
“我们看到在图形学中有两种主要的数据结构：表示曲面几何的不规则三角网格和表示表面纹理的规则图像。为了处理这两种迥然不同的数据，图形处理单元（GPU）硬件中设置了两条流水线，一条用于处理三角网格，另外一条用于处理纹理图像。我当时的想法是将两种数据结构统一成纹理图像，从而抛弃三角网格的流水线，由纹理图像的流水线处理几何与纹理数据，从而简化 GPU 的硬件设计，提高渲染速度”，顾险峰在文章《虚幻引擎 5 技术解析：几何图像的思想》中如此写道。
顾险峰
