问题

游戏特效为什么做不到像电影特效里的那样真实?

回答
这个问题触及了游戏与电影在特效呈现上的核心差异,也关乎到技术、成本、实时性以及最终的体验。之所以游戏特效往往难以企及电影特效那种令人叹为观止的真实感,原因可以从几个层面来深入剖析。

首先,最根本的区别在于“实时性”。电影特效,或者说我们常说的VFX(Visual Effects),本质上是一种“预渲染”的作品。电影制作团队花费大量时间和算力,在后期制作阶段,将每一个画面中的每一个细节都精雕细琢,计算出光影、碰撞、粒子、材质等一切物理现象,生成最终的帧。这个过程可以容忍极高的计算复杂度,因为它只执行一次,而且对最终输出的质量有绝对的优先权。反观游戏,它的核心是“实时互动”。玩家在屏幕前是主动的参与者,游戏引擎需要在每一秒钟内,根据玩家的操作和游戏逻辑,动态地计算并渲染出数十甚至上百帧画面。这意味着,游戏特效必须在极短的时间内完成所有计算,这就像是在赛跑,而电影特效则是在进行一项精密的实验室实验。这种实时性要求,迫使游戏开发者必须在真实感和性能之间做出艰难的权衡。

其次,“计算资源”的分配逻辑也截然不同。电影制作拥有近乎无限的计算资源(在预算允许的范围内)。他们可以使用庞大的渲染农场,动用上千台服务器进行并行计算,即使某个特效需要数天甚至数周才能渲染出一帧,那也是可以接受的。而在游戏领域,主要的计算资源是玩家购买的游戏设备——无论是PC还是游戏主机。这些设备必须在性能上有一定的普适性,同时还要兼顾运行游戏本身、AI逻辑、物理引擎以及玩家的交互,特效仅仅是其中的一部分。因此,游戏特效的开发过程,更像是在一个资源极其有限的环境中,如何挤出最多的“真实感”来。开发者需要进行大量的优化,简化模型,使用更高效的渲染技术,有时甚至要牺牲一部分细节来保证流畅的帧数。

再者,“艺术风格”与“写实度”的追求也有差异。虽然很多游戏追求写实风格,但并非所有游戏都如此。很多游戏,特别是那些幻想题材或者风格化的游戏,反而会刻意地去营造一种独特的视觉语言,而不是追求照片级的真实。这种风格化本身就是一种艺术表达,它可能通过夸张的色彩、非写实的模型、甚至是抽象的粒子效果来传达情感和氛围。而电影,尤其是叙事性强的真人电影,往往需要特效来“隐形”,让观众沉浸在故事中,几乎不会意识到这是特效。这种“无痕”的真实感,是电影VFX追求的极致。

举例来说,像水流的模拟,在电影里,可以利用高度精密的流体动力学模拟软件,精确计算每一个水滴的运动轨迹、折射、反射、飞溅以及与物体表面的交互,并进行长时间的渲染。一个几十秒钟的水面镜头,可能需要消耗海量的计算时间和人力去调整参数,力求达到物理上的完美。而在游戏里,如果要做同样逼真的水,实时计算如此复杂的流体动力学几乎是不可能的。游戏开发者往往会采用一些“欺骗”的手法,比如使用预设的动画序列、屏幕空间的反射和折射技术、以及简化的粒子系统来模拟水的效果。这些技术在一定距离或特定角度下看起来非常逼真,但如果玩家仔细观察,或者做一些超出预设的行为,就可能露出破绽,比如水不会溅起来,或者穿模。

同样的,对于火焰、烟雾、爆炸等粒子效果。电影特效可以精细地控制每一个粒子的生成、运动、碰撞、燃烧、消散,以及它们与光照的交互。烟雾的密度、火焰的温度、爆炸的冲击波,都可以通过复杂的模拟参数来精确控制,并且可以烘焙大量的光照信息。游戏则需要使用粒子系统,这些粒子通常是简单的2D或3D图元,通过预设的参数和纹理来模拟效果。即使是最先进的游戏引擎,其粒子模拟的复杂度和逼真度也远不如电影级别的离线渲染。

还有一个重要的因素是“成本”。电影的VFX团队往往非常庞大,包含各种领域的专家,他们的工作需要大量的资金支持。而游戏开发团队,虽然规模也在不断扩大,但在有限的预算下,他们需要将资源分配到引擎开发、游戏玩法、AI、剧情、音效以及美术的各个方面。在“真实感”上投入过多的资源,可能会挤占其他同样重要的开发环节。

总而言之,游戏特效与电影特效在真实感上的差距,并非意味着游戏技术不够先进,而是因为它们服务于完全不同的目的和平台。游戏特效是在实时互动的框架下,在有限的计算资源中,在风格化与写实度之间寻求平衡的艺术。而电影特效则是在预渲染的模式下,拥有近乎无限的计算资源,以极致的写实度为主要追求。随着技术的进步,游戏特效的真实感正在不断提升,但要完全达到电影级别的“照片真实”,在可预见的未来,依然存在着巨大的技术和成本鸿沟。

网友意见

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一句话:「计算成本不一样。」

在《

Real-Time Rendering, Third Edition (豆瓣)

》(2008)的第19.1节谈论到动画电影和游戏在渲染上的一些比较,例如《

美食总动员 (豆瓣)

》(2007)中:

  • 使用的机器群集大概有3100个核,每个可使用16GB内存
  • 平均每帧花费 6.5个CPU小时(更正前误写为小时),复杂的场景要花上数十小时

对于游戏来说,基本要求是30FPS,即约0.033秒渲染一帧。那么如果想达到2007年动画电影的水平,即从6.5小时加速至0.033秒,简单计算比例的话大约要该CPU(更正前误写为集群)的70万倍的计算能力。

在21世纪初因游戏而延生的GPU,其运算量比CPU要高,单以浮点计算量来说,这篇

博文

作了一张比较图:

2007年的Xeon大概是每核10 GFLOPS,现在的GTX Titan是4500 GFLOPS,假设现在的GPU计算能力是2007年CPU的450倍,而GPU继续类似

摩尔定律

,以每年翻倍的速度提升,大概在16年后,即2030年,实时游戏渲染的计算量能达到1997年动画电影渲染的计算量。

当然,这个问题还有许多因素,我尝试以乐观和悲观去分类。

乐观因素:

  • 实时渲染的算法与离线渲染的算法不同,同样的品质下可以用更少的计算量
  • 游戏中一些计算可以通过预计算减少每帧重复运算(其实离线渲染也有……)
  • 人们不单纯追求真实性,也需要抽象性及艺术表现

悲观因素

  • 除了计算量,其他方面可能追不上(内存频宽、总綫频宽)
  • 游戏需要低延迟(low latency)而不单纯是高吞吐量(high throughput),实时渲染的问题比上述的计算量问题更难
  • 游戏一般希望最坏的情况下达30 FPS而不是平均情况

但总终而言,根据以上分析,同年份的动画渲染及游戏渲染可能有相差数十万倍的性能。除非离线渲染在未来已达到人类视觉的极限(与现实无异)而不需要再提升,游戏渲染难以在同年到达动画渲染的水平

基于计算量的差异,目前动画和游戏在渲染上的区别:

  • 动画的模型非常精细,并且大多使用镶嵌(tessellation)技术提高曲面圆滑程度。游戏通常使用较小的模型。
  • 离线渲染通常采用光线追踪(ray tracing)、路径追踪(path tracing)等渲染方式。游戏通常使用基于光栅化(rasterization)方式。
  • 游戏渲染采取更大幅度的近似化(approximation)。

另外,游戏渲染含有一些和动画渲染不同的需求:

  • 摄像机可以有限度由玩家操控,场景要更完整。动画有时候只需要在镜头内的场境有足够细节便可以。
  • 玩家角色和非玩家角色(NPC)的动画都需要互动,并考虑不同动作之间的过度,制作方式更复杂。
  • 一些游戏支持日夜、天气等变化,光照不能简单地预计算。
  • 由於游戏的不确定性,许多参数需要自动生成(例如Tone Mapping),这需要额外的计算。

简单地讲,游戏渲染有较多动态部分,动画渲染有较多静态部分

作为游戏开发者,也仅是希望在有限的资源内做到最好。最后发两张截图比较游戏渲染的进展。

2000年的《

American McGee

's_Alice》

2011年的《

Alice: Madness Returns

=================================

更正

2014/3/26: @

余茂新

在评论中指出数字不合理,找到这篇

NewsFlash: Render stats for Ratatouille

,说6.5一帧是单个CPU的时间。所以43875天 / 3100 核 ~= 14天而已。不过由于该文不肯定 cpu-hour是指单个核还是四个核一起工作,如果是后者,则是14x4 = 56天。不过这不影响后面的计算。

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