摘于:
http://games.qq.com/a/20070927/000162.htm
“不到一年以前，硬件的處理
能力還不足以讓我們動(dòng)態(tài)生成
游戲中水的運(yùn)動(dòng)效果，”Lee Bamber（李.巴姆博）說，他是游戲創(chuàng)造者（The Game Creators）公司的創(chuàng)始人，一位有20年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的程序員。過去的游戲中用實(shí)景動(dòng)畫來表現(xiàn)火焰，現(xiàn)代游戲則著重于通過火焰的變形和粘性來表現(xiàn)動(dòng)態(tài)的煙霧和焚燒效果。
1.硬件處理能力 processing power
courtesy IBM，圖片：PS3的Cell處理器
用神奇處理器重繪西斯廷教堂的天花板
問題：如果電腦的運(yùn)算速度跟不上游戲指令，畫面會(huì)跳幀，徹底毀掉玩家的游戲體驗(yàn)。計(jì)算能力的限制始終是游戲制作中最令人頭痛的問題。此外，它跟本文提到的其他問題都有關(guān)系，從實(shí)現(xiàn)人工智能到創(chuàng)造真實(shí)的物理引擎。
現(xiàn)狀：多核技術(shù)同時(shí)使用多個(gè)處理器或者圖形處理單元來提高計(jì)算能力，可以加速游戲的運(yùn)行。但是現(xiàn)在的程序員還沒有掌握多核處理器上的編程技術(shù)——使他們無法有效地利用這項(xiàng)技術(shù)。（PS3的包含8個(gè)3.2GHz處理器，可惜現(xiàn)在很少有程序員掌握了相應(yīng)的編程技術(shù)）傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思維是如此的根深蒂固，程序員還是習(xí)慣用會(huì)計(jì)師的語言（啊！這個(gè)雨的特效消耗資源太高啦）來表述問題，并未掌握已有的工具。
未來：摩爾定律——芯片上集成的晶體管數(shù)目每兩年翻一番——意味著未來將會(huì)有更強(qiáng)的計(jì)算能力。（圖形處理芯片巨人Nvidia宣稱一直以超過摩爾定律的速度更新它的芯片，在不到一年的時(shí)間內(nèi)使芯片的處理能力翻倍）但是程序員的雄心總是走在硬件發(fā)展的前面，正如一位設(shè)計(jì)師指出的：“我們的能力越強(qiáng)，獲得的成功越大，我們期望也越大” 對(duì)更強(qiáng)計(jì)算能力的渴求將永遠(yuǎn)伴隨著CPU和GPU處理能力的快速發(fā)展。
2. 水
Courtesy Sony，圖片：龍?zhí)痘⒀ǎ↙air）中，真實(shí)的水面效果讓玩家體驗(yàn)到身臨其境的馭龍飛行效果。水特效是一個(gè)主要的計(jì)算難題
描繪出流動(dòng)的海水
問題：數(shù)學(xué)方法已經(jīng)能奠定了計(jì)算最精細(xì)的液體流動(dòng)的基礎(chǔ)，比如一毫米見方以內(nèi)的水面特效。游戲必須通過所有這些細(xì)節(jié)組合成整個(gè)海洋的效果。“不到一年以前，硬件的處理能力還不足以讓我們動(dòng)態(tài)生成游戲中水的運(yùn)動(dòng)效果，”Lee Bamber（李.巴姆博）說，他是游戲創(chuàng)造者（The Game Creators）公司的創(chuàng)始人，一位有20年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的程序員。
現(xiàn)狀：“黏度是關(guān)鍵，”羅恩.法第奎（Ron Fedkiw）表示。羅恩是斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的助理教授（associate professor），他致力于電影特效的研究，像星球大戰(zhàn)前傳三：西斯的復(fù)仇，以及現(xiàn)在的變形金剛。現(xiàn)在他正在與工業(yè)光魔公司合作。“高黏度”——類似于固體之間的摩擦——“比較容易表現(xiàn)，黏度稍微降低，表現(xiàn)會(huì)變難；而對(duì)于水，難度更大。”數(shù)學(xué)模型能夠描述水的運(yùn)動(dòng)，法第奎承認(rèn)，但是只有超級(jí)計(jì)算機(jī)才能滿足其運(yùn)算需要。
未來：游戲開發(fā)者正在試驗(yàn)粒子系統(tǒng)，一種由一組顆粒組合而成的系統(tǒng)，所有粒子都以特定的規(guī)則對(duì)外界做出反應(yīng)。然后，隨著處理器性能的慢慢地增強(qiáng)和算法的改進(jìn)，使用湍流模型——計(jì)算物理學(xué)中模糊預(yù)測（BallPark Estimate）的等價(jià)模型——能夠繪制出更加真實(shí)的液體飛濺、氣泡和波浪效果。——J. W.
3. 人臉
Courtesy Bioware，圖片：Bioware大作《質(zhì)量效應(yīng)》中人臉的逼真程度已經(jīng)接近引起“深谷效應(yīng)”的程度。
用提線木偶模仿活人
問題：分析和重現(xiàn)人類最熟悉同時(shí)也是最微妙的面部表情已經(jīng)困擾了藝術(shù)家和科學(xué)家數(shù)百年時(shí)間。現(xiàn)在，游戲制作者為了創(chuàng)造更加可信的游戲角色，正試圖改進(jìn)前人的成果。如果角色的面部過于真實(shí)，玩家會(huì)感到難以接受，這種現(xiàn)象被稱為“深谷效應(yīng)”：由于人眼對(duì)熟悉的物體觀察更加細(xì)致，導(dǎo)致擬真的人物在極像人類的階段引起觀察者的強(qiáng)烈反感。“太真實(shí)的物體讓人起雞皮疙瘩，”比爾.范.伯恩解釋道，比爾是Valve的半條命2（half-life 2）的制作人員，“你會(huì)注意任何一個(gè)微小的細(xì)節(jié)（讓人不適）。”
現(xiàn)狀：Valve的開發(fā)人員希望給出一套規(guī)則，按照這套規(guī)則來產(chǎn)生游戲角色的表情，以表達(dá)真實(shí)的情感。心理學(xué)家保羅.艾克曼（Paul Ekman）和沃勒斯.佛萊森（Wallace V. Friesen）在研究解剖學(xué)和人類交流時(shí)定義了人類面部活動(dòng)的分類，包括60中基本的面部活動(dòng)。Valve的開發(fā)人員以此為基礎(chǔ)來構(gòu)建人類的面部表情。他們發(fā)現(xiàn)，恰當(dāng)?shù)难鄄炕顒?dòng)對(duì)生成逼真的人臉至關(guān)重要。“如果眼睛不對(duì)勁，人物看上去就像死人，”Valve的資深軟件工程師肯.波德維爾（Ken.Birdwell）指出。他曾經(jīng)花一年時(shí)間來研究眼球的生理結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，比如角膜的弧度如何影響光的反射，以及為何瞳孔偏心不是4度會(huì)使人被認(rèn)為是斜視。
未來：克服“深谷效應(yīng)”相當(dāng)困難。程序員正致力于增加人臉表情的多樣性，賦予不同部位的面部皮膚以不同的光澤（sheen of skin stretched across facial muscle）。當(dāng)然，在游戲開發(fā)商鉆研心理學(xué)和仿真機(jī)器人的同時(shí)，處理器的速度必須跟上新技術(shù)的需求。
4.人工智能
Courtesy Ubisoft，圖片：游戲《刺客信條》中的行人獨(dú)立活動(dòng)。發(fā)生沖突時(shí)不同的人會(huì)有不同的反應(yīng)：大打出手或者膽小畏縮。
讓1000個(gè)孩子一夜之間學(xué)會(huì)獨(dú)立思考
問題：曾經(jīng)，游戲中的壞蛋僅僅是毫無目的地漫游，在快要被你打死的時(shí)候才開槍射擊。現(xiàn)在玩家對(duì)此已經(jīng)不再滿足啦，他們希望對(duì)付更狡詐的敵人，還要有可以協(xié)助他們的可靠的同伴。盡管當(dāng)前的人工智能已經(jīng)復(fù)雜到能夠滿足這樣的需要，但是處理器速度限制了它們的應(yīng)用。“我們只能盡量讓角色看起來聰明一些，”馬修.梅澤羅（Mathieu Mazerole）說，他是育碧《刺客信條（Assassin’s Creed）》的首席工程師。
現(xiàn)狀：賦予游戲角色像人一樣的決策能力需要使用高級(jí)的邏輯理論。頂尖的機(jī)器人工程師使用這種理論，包括決策樹、可變巡航（Mobile Navigation）和有限自動(dòng)機(jī)模型。這些技術(shù)使游戲中的敵人更加智能，比如在《刺客信條》這樣的游戲里，追蹤你的敵人會(huì)形成小隊(duì)、爬樓、越過屋頂。“有時(shí)候電腦自己找到了我們都沒想過的路徑，”馬克.布萊斯納（Mark Bresner）說，他是該游戲的首席人工智能程序員。“產(chǎn)生真實(shí)的射擊偏斜效果真的很難，”尼爾.約翰遜（Neil Johnson）說，他是二戰(zhàn)游戲《戰(zhàn)火兄弟：地獄之路》的程序員。“電腦自動(dòng)瞄準(zhǔn)視線中的目標(biāo)，百發(fā)百中。我們不得不讓他們每次都瞄準(zhǔn)玩家的腳開火。只能用這種‘蹩腳’的辦法”。
未來：馬澤羅爾（Mazerole）預(yù)測下一代的人工智能將能夠獨(dú)立地與游戲中的角色進(jìn)行動(dòng)態(tài)的交互。“兩個(gè)‘人’走路撞在一起，正好他們脾氣都比較‘暴躁’，這時(shí)候他們應(yīng)該打起來——這就是我們將來要達(dá)到的效果。”——J. W.
5.光影效果
Crvtek/EA，圖片：戰(zhàn)斗場景增加了《危機(jī)》（Crysis）這類游戲的復(fù)雜性，但是光影效果才是真正需要花大量時(shí)間和人力解決的問題。
重現(xiàn)上帝造物——要有光
問題：穿越叢林需要強(qiáng)健的身體——而生成逼真的叢林對(duì)游戲開發(fā)人員來說同樣是一個(gè)難題。為了生成數(shù)英里布滿濃密植被的游戲場景，第一人稱射擊游戲《危機(jī)》（Crysis）的開發(fā)商Crytek需要為不計(jì)其數(shù)的多面體添加光影效果。而且為了實(shí)時(shí)計(jì)算，開發(fā)小組必須把運(yùn)算量維持在處理器能承受的范圍內(nèi)。不同于電影特效師，能夠花大量的時(shí)間繪制一幀圖片，然后由計(jì)算機(jī)在一天之內(nèi)生成最終的畫面。Crytek的首席執(zhí)行官凱渥特.耶利（Cevat Yerli）說：“通常，真實(shí)的畫面和生產(chǎn)它時(shí)間是互斥的。”
現(xiàn)狀：解決辦法是Crytek公司開發(fā)的工具Polybump2。它能將復(fù)雜的物體表面轉(zhuǎn)化成少量多面體組成集合體。此外，開發(fā)者進(jìn)還提出了使畫面表現(xiàn)更加真實(shí)的新技術(shù)。“我們能夠根據(jù)光線的強(qiáng)度模擬人眼的活動(dòng)，”耶利（Yerli）說。游戲畫面會(huì)模擬游戲角色的視覺體驗(yàn)。當(dāng)走進(jìn)陰暗的區(qū)域，畫面會(huì)表現(xiàn)出游戲角色的適應(yīng)過程。反之從暗處沖出，畫面將是一片空白，因?yàn)榻巧魂柟庵旅ぁ?zhǔn)備開火吧。
未來：Crytek已經(jīng)使更好的視覺效果稱為可能，但是特效極限受處理器運(yùn)算能力的限制。隨著處理器速度的提升，游戲?qū)⒄宫F(xiàn)令人嘆為觀止的視覺效果：透過冰的光線、雨水甚至是廣闊背景中掉落的物體。
6.火焰
Courtesy D3 Publisher，圖片：《黑暗教派（Dark Sector）》這樣的游戲非常需要逼真的火焰——最難以表現(xiàn)物理真實(shí)性的效果。
用你的雙手控制空氣
問題：在游戲中表現(xiàn)火焰是一項(xiàng)嚴(yán)肅的問題。用程序生成火的行為跟水很像，區(qū)別在于：a) 火焰移動(dòng)更快，也更復(fù)雜；和b) 火要燒毀其他東西。過去的游戲中用實(shí)景動(dòng)畫來表現(xiàn)火焰，現(xiàn)代游戲則著重于通過火焰的變形和粘性來表現(xiàn)動(dòng)態(tài)的煙霧和焚燒效果。
現(xiàn)狀：程序員在談火焰效果的時(shí)候，不可避免地會(huì)涉及硬件——它代表了程序員所能達(dá)到的極限。所以，當(dāng)前游戲中的火焰大多的是短暫或爆炸的效果。大火熊熊燃燒的景象難以通過程序?qū)崿F(xiàn)。“我們僅僅是沒有足夠強(qiáng)大的處理能力來準(zhǔn)確地表現(xiàn)它，”游戲創(chuàng)造者（Game Creator）的李.巴姆博（Lee Bamber）說。他提到近幾年圖形處理單元開始從中央處理器接管一些資源消耗極高的任務(wù)，比如生成火焰效果。他以Nvidia的Quad SLI——一種整合4顆圖形處理單元的圖像系統(tǒng)——為例子指出硬件工程師通過改進(jìn)硬件來滿足程序員的需求，。
未來：斯坦福大學(xué)的羅恩.法第奎（Ron Fedikiw）已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種算法，有助于表現(xiàn)各種火焰的變形和粘性：濃煙滾滾的汽油燃燒，紙，甚至是漂在水面上的油的燃燒等等。“未來5年內(nèi)我們將擁有更優(yōu)秀的視覺效果，”巴姆博說，“但是要真正改進(jìn)火焰效果則需要更長的時(shí)間。”——J.W
7.材質(zhì)物理特性
Courtesy Lucasarts/Pixelux，圖片，使用DMM表現(xiàn)一堵墻倒塌的過程，圖像非常真實(shí)。圖中右側(cè)的戰(zhàn)士決定了引擎的特性。
預(yù)測沙子應(yīng)該怎樣從破損的沙漏里漏出來
問題：僅僅讓建筑物具有真實(shí)的外觀已經(jīng)不能滿足現(xiàn)狀了，必須讓它們能夠真實(shí)地倒塌。在設(shè)計(jì)新的摩天大樓時(shí)，設(shè)計(jì)師正在思考如何改進(jìn)大樓的損毀效果（已有的方法用事先設(shè)計(jì)好的大樓殘片表現(xiàn)倒塌的大樓；或者播放已經(jīng)錄制好的大樓倒塌動(dòng)畫），并且實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在游戲中。
現(xiàn)狀：Piexelux娛樂開發(fā)名為數(shù)字粒子（Digital Molecular Matter）物理引擎，可以模擬物體粉碎、破裂、扭曲和撕裂的效果。它首先將建筑物轉(zhuǎn)化為數(shù)百個(gè)微小的西面體。在模擬石塊撞擊時(shí)，射向建筑物的石塊在碰撞點(diǎn)替代了那里的四面體；接著，引擎根據(jù)材料的密度、強(qiáng)度和質(zhì)量來演算碰撞點(diǎn)周圍的四面體如何相互碰撞、移位，制造出受損部位的連鎖反應(yīng)效果。“我們第一次仿真玻璃破碎時(shí)，把人扔向窗戶然后觀察玻璃以真實(shí)的方式變成碎片，足足搞了半小時(shí)，”Pixelux的軟件工程師維克.索哈（Vik Sohal）說。
未來：所有使用數(shù)字粒子引擎表現(xiàn)的物體都必須遵守一些列物理規(guī)律，如楊氏模數(shù)，決定物體的硬度；還有泊松比，描述了氣球和蘇打水這類東西的彈性。數(shù)字粒子引擎還決定了物體的內(nèi)力如何聚集，在超過閥值之后使物體在最脆弱的位置破裂。樹長出新枝就是這樣的過程。索哈說數(shù)字粒子引擎還可以用于公路場景；它可以構(gòu)造一個(gè)300磅重的令人厭惡的線路維護(hù)員，并表現(xiàn)他鴨子一樣的姿態(tài)。——Bjorn Carey
8.真實(shí)的運(yùn)動(dòng)
Courtesy LucasArts，圖片：憑借Euphoria系統(tǒng)，盧卡斯藝術(shù)的暴風(fēng)突擊隊(duì)員可以完成真實(shí)的諂媚、蜷縮和跌倒動(dòng)作。
教布娃娃學(xué)會(huì)躲閃皮球
問題：你操縱著絕地武士面對(duì)成群的暴風(fēng)突擊隊(duì)，揮舞著光劍殺出重圍。但是敵人倒地的方式都一模一樣，像蜥蜴或者某種爬行動(dòng)物一樣，顯然這無法讓你感受到面對(duì)敵人時(shí)的戰(zhàn)栗。原因是缺少足夠強(qiáng)大的計(jì)算能力實(shí)時(shí)生成圖像，另一方面許多制作人員相信錄制動(dòng)畫能夠滿足需要。游戲人物的動(dòng)作根本不真實(shí)。
現(xiàn)狀：軟件開發(fā)商N(yùn)aturalMotion基于人工智能引擎生產(chǎn)了一種生成人物行為的引擎——Euphoria。它能讓游戲人物在面對(duì)危險(xiǎn)、受傷時(shí)做出動(dòng)態(tài)的反應(yīng)。Euphoria賦予人物虛擬的人體結(jié)構(gòu)——神經(jīng)、肌肉、骨骼及重量，這些“特點(diǎn)”使得人物能對(duì)外界刺激產(chǎn)生不同的響應(yīng)。面對(duì)飛來的箱子，有的人會(huì)躲開，另一些則會(huì)熱烈地迎接它。當(dāng)箱子碰到人物，虛擬身體結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的反應(yīng)。“這都是基于一個(gè)描述人類生理結(jié)構(gòu)的算法，”海頓.布萊克曼（Haden Blackman）說，他是盧卡斯藝術(shù)公司的新作《終極力量（The Force Unleashed）》的項(xiàng)目經(jīng)理，這是第一款使用Euphoria的游戲。實(shí)時(shí)仿真免除了使用動(dòng)畫的需要，開發(fā)者可以利用節(jié)約的內(nèi)存增加更多的視覺效果，以前這會(huì)導(dǎo)致人物動(dòng)作呆板緩慢。最終游戲能提供多樣的游戲效果。
未來：我們需要更好的虛擬神經(jīng)系統(tǒng)。兩個(gè)暴風(fēng)突擊隊(duì)員從火車上掉下來，其中一個(gè)抓住火車邊緣，另一個(gè)緊緊抓住他的腳。“這種場景將提高游戲的真實(shí)性，增加游戲的樂趣，”布萊克曼說。有了Euphoria這樣的虛擬系統(tǒng)，開發(fā)商將持續(xù)推出更激動(dòng)人心的游戲體驗(yàn)。
9. 模擬真實(shí)世界
Courtesy Crytek/Electronic Arts，圖片：真實(shí)的測試數(shù)據(jù)被用來呈現(xiàn)極品飛車：職業(yè)賽車中的每一次起火和碰撞。
讓游戲手柄給你方向盤的感覺
問題：Pole Position的時(shí)代已經(jīng)過去了，需要消耗全部的資源來繪制汽車前臉，才勉強(qiáng)看起來像是一輛汽車。現(xiàn)在，程序員希望提供更多的真實(shí)體驗(yàn)——擬真的武器、細(xì)膩的飛行控制——甚至是在游戲中提供快餐，好讓“你”在餓的時(shí)候填飽肚子。
現(xiàn)狀：為了達(dá)到在風(fēng)中狂飆的真實(shí)效果，開發(fā)者正在研究汽車工程學(xué)。在美國藝電的《極品飛車：街頭狂飆（Need for Speed: ProStreet）》中，開發(fā)小組花費(fèi)了大量的心思收集車輛的參數(shù)，為了取得保時(shí)捷的相關(guān)數(shù)據(jù)，他們甚至親身來到保時(shí)捷在德國的試車場收集行駛數(shù)據(jù)。借助全球定位系統(tǒng)和保時(shí)捷公司的軟件的幫助，藝電的開發(fā)小組記錄了車輛狀態(tài)（方向盤角度、剎車、離合器、剎車、閘門等）如何影響車輛的行駛（位置、速度、加速度、偏航）。這些數(shù)據(jù)直接輸入游戲，使游戲中碰撞和駕駛員的動(dòng)作產(chǎn)生與實(shí)際駕駛類似的結(jié)果。
未來：我們需要精煉相互對(duì)立的經(jīng)驗(yàn)。藝電同時(shí)研究了駕駛員的行為，據(jù)此設(shè)計(jì)的人工智能使游戲中的追捕者具有不同的駕駛風(fēng)格，而不是千篇一律的“完美駕駛”。做比說要難：“開保時(shí)捷的可不愿意因?yàn)槭鹿蕷Я藧圮嚕?#8221;賈克斯.科納（Jacques kerner）說，他是藝電的軟件工程師，“所以我們得讓汽車工程師幫我們?nèi)〉帽匾臄?shù)據(jù)。”——D. C.
10.動(dòng)作捕捉
Courtesy Crytek/Electronic Arts，圖片：真實(shí)的測試數(shù)據(jù)被用來呈現(xiàn)極品飛車：職業(yè)賽車中的每一次起火和碰撞。
Organic Motion，圖片：舊的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)著特殊的服裝，而Stage系統(tǒng)不需要這種東西。
讓電腦學(xué)會(huì)像人類一樣觀察世界
問題：通過穿著動(dòng)作捕捉服來獲得人類真實(shí)動(dòng)作的方法已經(jīng)過時(shí)了。這種方法需要花數(shù)小時(shí)訓(xùn)練電腦準(zhǔn)確識(shí)別人體的運(yùn)動(dòng)模式。但是長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)會(huì)讓衣服上的捕捉器脫落。更糟的是，如果捕捉過程中某些捕捉器的信號(hào)減弱，電腦就不能有效捕捉對(duì)應(yīng)人體的動(dòng)作，最終會(huì)導(dǎo)致這部分的動(dòng)作缺失。為此必須花高價(jià)雇傭工程師來重繪缺失的部分，往往還要花更多時(shí)間。
現(xiàn)狀：在Organic Motion的Stage系統(tǒng)中，攝像機(jī)錄制鏡頭前人物的動(dòng)作，同時(shí)電腦實(shí)時(shí)生成捕捉到的圖像。這個(gè)系統(tǒng)不需要被觀察者攜帶捕捉器。該系統(tǒng)通過由10到14個(gè)攝像機(jī)生成的圖像合成三維數(shù)據(jù)云。電腦將相鄰的數(shù)據(jù)點(diǎn)三角化，進(jìn)而形成人體的輪廓、動(dòng)作。然后被填充的三維材質(zhì)送入動(dòng)畫軟件進(jìn)行進(jìn)一步的處理，這一步相對(duì)簡單。“不會(huì)丟失任何細(xì)節(jié)，”開發(fā)者和首席執(zhí)行官安德魯.茨諾克（Andrew Tschesnok）說，“即使人體某部分被擋住了我們?nèi)匀恢浪谀睦铩?#8221;
未來：新技術(shù)的使用使游戲變得更加真實(shí)。過去的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)過于昂貴，開發(fā)者只能先捕捉幾位主要演員的動(dòng)作，然后將他們的動(dòng)作移植到所有其他角色上。“現(xiàn)在我們可以令人信服地記錄每一位演員的動(dòng)作”茨諾克說。使用stage這樣的系統(tǒng)來捕捉人體動(dòng)作，游戲人物將跟實(shí)物沒什么區(qū)別。——B. C