《黑神话：悟空》图形评测：9 分，极其优秀的全局光照和几何系统
《黑神话：悟空》图形评测：9 分，极其优秀的全局光照和几何系统
《黑神话：悟空》是一款使用 UE5 引擎的动作游戏。它的闪光点在于使用了 UE5 的两项突破性的技术：Lumen 和 Nanite，这使得游戏的图形表现十分优秀。但是 PS5 版糟糕的上采样技术（PC 版的 FSR）使得观感得到了折扣，它造成了太多伪影。其次，黑神话也存在场景可见度剔除所导致的无法忽略的光照错误。本文将主要解析黑神话的 Lumen 光照管线，Nanite 几何管线以及上采样技术等。
Lumen 光照系统
黑神话是一款如假包换的光追游戏，虽然里面有个英伟达单独提供的“全景光线追踪”的方案，但是全局光照开到“中”就已经暗中启动了 Lumen 光追。
Lumen 是近十几年来先进游戏全局光照技术的集大成者。它结合了光线追踪和光栅化的方案，并且也有诸多创新。
首先，Lumen 有着屏幕空间和世界空间方案的结合。
Lumen 使用了屏幕空间追踪的反射，以及根据屏幕空间向场景内部撒的光追探针。
世界空间方面，为了更好解决远距离全局光照噪点多的情况，对世界空间专门撒探针进行单独采样，再与已有的光照信息进行插值，得到高质量的距离光。
其次是，Lumen 光追和传统实时光追有着本质上的差别。
传统实时光追的大致流程是：
光线追踪 Mesh BVH 加速结构 - 交点几何信息 - 交点材质信息 -(可选多次反弹，回到第一步)- 着色
Lumen 光追的大致流程是：
（1.8m 以内近距离）光线步进高精度 Mesh DF - 交点几何信息 - 采样 Surface Cache - 交点材质信息 - 着色 - 写入 Radiance Cache - 时域累积/模拟无限反弹
（1.8-200m 较远距离）体素追踪低精度 Global DF - 交点几何信息 - 采样 Radiance Cache 并注入体素 - 时域累积/模拟无限反弹
（200m 远距离）光线距离无穷大 - 采样天空盒
SDF 全称Signed Distance Field，中文名叫“符号距离场”， 是一种几何体代理，它可以根据原有几何体预先烘焙，光线追踪时只是个索引距离的过程，无需实时像 BVH 加速结构那样构建，大大节约了性能，但是精度低，还有一个缺点后面会提。
SDF 还有个特点就是连续可导，不过这个应该是可微渲染才会重点讨论的话题。
Surface Cache 和 Radiance Cache 也是 Lumen 场景的核心。
因为 SDF 只是个表达距离的函数，光线与它求交并不能获取 Material 信息，自然就索引不到例如 Albedo, Normal, Emissive, Direct Lighting 等，于是 Lumen 会实时为每个物件构造表面缓存（Surface Cache）来使得 SDF 追踪的过程中有材质信息可以用。
Surface Cache 可看作一种微型 G-Buffer，表现出来的就是下图所示的一堆 Card，最后将整合到一个巨大的 Texture Atlas 里。
Surface Cache 可以为 Lumen 光追提供采样方向的信息。
Lumen 光追和传统光追还有个巨大的不同就是，它并没有 Secondary Ray，也就是没有二次反弹。
它的间接光照来自于从 Surface Cache 发射光线，光线与低精度 Global DF 求交，并在交点处复用上一帧体素光照（涉及 2nd-order SH 编码）并再写入 Radiance Cache，如此往复下去，便做到了无限次反弹的漫反射间接光照。
在重要性采样的方面，Lumen 利用 G-Buffer 里的 BRDF 数值来调整采样权重，这使得光照贡献更多的地方能分配到较多采样资源，而 BRDF 等于 0 的地方则直接不发射光线以节约性能。
我们不难发现，Lumen 使用了很多低精度的解决方案，这抓住了漫反射间接光照本身非常低频的特点，就算是使用低精度缓存以及 SDF 也无伤大雅。
在 Lumen 的加持下，无论是近距还是远距光照，黑神话的表现都非常优秀。
以一开始的场景为例。近距：
远距：
可惜的是，黑神话的 Lumen 并没有硬件加速，这使得现代光追 GPU 并没有得到较完全的性能发挥，这是扣分项。
全景光线追踪
“全景光线追踪”是英伟达自己制造的商业宣传名词，大概意思就是“纯光追”，技术上来看就是使用了路径追踪渲染管线，这个问题也不需要过多讨论，因为对我而言讨论起来就是无底洞，我不想在这篇讨论游戏技术的文章里复习渲染方程，蒙特卡洛积分估计等枯燥的学术理论。
符合全景光追的游戏其实早就有了，比如 Quake II RTX，Minecraft RTX，它们的光照效果的确令人惊叹，由于路径追踪一直以来都只在离线渲染领域里铺开，之前游戏领域对它的关注少之又少（因为实在是难以实时地跑起来）。直到英伟达提出了它的圈钱战略构想：
不过话说回来，虽然全景光追达到了技术上都是真·影视级的渲染，但由于 Lumen 实在是太优秀了，导致英伟达全景光追的优势在黑神话里实在不太明显。
所以我建议显卡性能不高的玩家不要开启全景光追。
Nanite 几何管线
Nanite 是一个划时代的GPU-Driven的几何处理技术，它与 Mesh Shader 类似，但是是完全不一样的工程实现。
传统的几何管线需要单独设置几套不同精度的模型来实现 LoD 切换，而 Nanite 由于 GPU 高度掌控几何体的线程组（可以控制线程数量），可以实时通过开关线程来实现全自动 LoD（一个线程对应一个基本几何基元，例如顶点）。
同时，GPU-Driven 也使得运行几何管线时 CPU 的负担得到降低。
其次是软光栅，由于现存所有 GPU 架构中的 Raster Engine 光栅化小三角形（接近像素大小甚至更小的三角形）的效率都极为低下，并且造成数量恐怖的过度绘制，游戏实现了大三角形 / 非 Nanite 几何使用 Raster Engine 光栅化，小三角形用 Compute Shader 做软光栅以及小三角形剔除。
说到剔除，Nanite 的剔除效率很高。有实例剔除（针对单个 Mesh / 物件）、层级剔除（剔除 Cluster 组）和单个 Cluster 剔除等多管齐下，性能表现优异。
关于粒子、后处理系统，它们的效果同样是很好的，不必多说。
超采样
黑神话提供了 TSR，FSR，DLSS，XeSS 四种超采样技术。
其中 TSR 是 UE5 自己的一个上采样技术，主要是动态分辨率。
其它三个分别为 AMD，英伟达和英特尔的 GPU 架构所服务，所以对于各家显卡而言都建议优先选择自家显卡的上采样技术。
除了 AMD FSR 在黑神话里的表现是真的太垃圾了，动起来 artifact 一大堆，尤其是 PS5 是强制开启 FSR 上采样，所以我觉得 FSR 的垃圾表现是个扣分项。
我觉得这个“超采样清晰度”这个选项是很迷惑人的，给人一种锐化选项的感觉。把这个选项改为“实际渲染比率” 要更明了一点。
非 Ada 架构显卡用户也可以开 FSR / TSR 进行补帧，建议在原始帧率稳定 40 FPS 以上时开启，否则手感稀烂。
漏洞
最后留一个图形问题，什么上采样瑕疵其实都可以不管了，这个应该是最恶劣的，留点心的玩家应该都会发现某些场景（尤其是场景过渡处）会发生巨大的光照变化：
移动一小步后：
我猜测是场景可见度系统错误地剔除了几何体，导致了光照错误。我不是很熟悉 UE5 开发，于是不做进一步评价。
结语
虽然仍存在一些图形问题，但是黑神话的总体表现确实是十分优秀的，是次世代应有的水平。作为第一款国产 3A，它的表现确对得起我的期待。