虚幻5来了！ 说说它的“黑科技”

这是【游戏开发那些事】的第49篇原创文章

2020年5月13日，知名游戏引擎公司Epic发布了一段让无数影视从业者、游戏从业者甚至玩家激动不已的视频——《初看虚幻引擎5》。 视频场景真实，沉浸感极强。 实时动画充分体现了下一代游戏引擎的强大功能。

视频是晚上11点才发布的。 短短几个小时，就已经刷爆了朋友圈，浏览量瞬间达到10万+。 那天可能有很多和我一样的朋友。 他们看完之后激动不已，久久不能释怀。

不知不觉，这段视频发布已经过去一年了，虚幻引擎5也如期而至。 就在昨晚，Epic发布了UE5的抢先体验版本，附带了相应的基础教程、文档链接和示例演示。 通过下面的视频，我们可以更多地了解虚幻引擎5的新特性以及Lumen、Lumen等技术的意义。

虚幻5初体验

虚幻5的抢先体验版本已经发布到Epic Game，对应的源代码项目也可以在官网上获取。

虚幻引擎5中文技术文档

虚幻引擎5源代码地址

虚幻引擎5官方入门课程链接

此外，官方还为用户提供了免费的演示视频，方便大家快速体验新的功能和特性。 （注：项目98GB，更低系统要求为GTX 1080/AMD RX Vega 64或以上显卡、8GB显存、32GB系统内存）

当你打开编辑器时，你会发现虚幻5的界面发生了重大变化。 扁平化的设计让界面看起来更加清晰简洁，极大的提升了用户的预览体验。

当然，虚幻5的亮点主要还是在新发布的两项核心技术上，以及Lumen。 我们可以通过Demo预览一个有数亿个三角形的场景，还可以动态调整光源参数，实时预览全局光照效果。

除了渲染变化之外，还有许多新功能：

技术

如果有和我一样一直关注虚幻5的朋友，就会发现它不再像当初那么神秘了。 各个大佬的深入挖掘，也让我们能够更加客观地看待这款发动机以及相关技术。

虚幻5更具代表性和影响力的核心技术有两项：和Lumen

，中文翻译是虚拟微多边形几何技术。 简单来说，该引擎在运行时可以支持包含几乎无限三角形的模型，也就是说，美术师可以直接将包含数亿个多边形的模型导入到虚幻引擎中。 使用。 如果这项技术能够广泛应用于工业领域，对游戏和影视行业的影响可以说是颠覆性的。

科普一下，我们常见的三维游戏世界（或者CG场景）一般是由三角形面组成的，计算机通过将三角形面一一渲染来显示整个画面。 一个AAA游戏场景往往是由数千万个三角面（包括人物、地形、建筑物等）组成，一部科幻电影夸张到需要数亿甚至数十亿个三角面来渲染。

▷▶《刺杀小说家》视觉效果分析，boss面孔数量极高

显然，三角形数量越多，渲染速度就越慢（虽然现在的显卡越来越强大），所以对于需要实时渲染的游戏，除了想尽一切办法消除不存在的三角形之外，显示和减少可见的三角形表面也是必须做出的妥协。

那么如何减少可见三角形呢？ 从技术上来说，我们可以利用LOD来动态减少三角形的数量（边缘塌陷技术）。 但业界常用的方法是一开始就限制主模型的面数。 一般是先在里面制作一个高模型，然后将置换贴图或者法线贴图烘焙到低模型上（为渲染过程保存更详细的信息）。 模型中的光照计算），这样面数极低的模型也能表现出接近高模模型的效果。

显然这是提高性能的最后手段。 注重艺术效果的艺术家一定不喜欢这种多余而复杂的过程。 如果虚幻5真的能够支持近乎无限数量的三角形，那绝对会极大地解放艺术家的生产力。 这种烘焙高模和低模的方式也将随着历史的前进而逐渐被埋没。

▷▶模型制作过程

程序员当然更关注技术细节而不是视觉效果。 从“虚拟微多边形”这个名字中的“虚拟”二字，我们很容易想到操作系统中的虚拟内存技术。 “虚拟内存”技术的核心思想是将硬盘虚拟成内存，通过动态替换的方式解决内存空间不足的问题（当然还有很多其他含义）。

▷▶虚拟内存图（简化版）

同样的虚幻的力，渲染领域有一种原理类似的技术叫做“虚拟纹理”。 由于GPU显存有限，不可能存储复杂且大型场景的所有纹理。 因此，可以合成这些纹理，然后将其存储在硬盘中。 根据渲染期间屏幕上使用的资源索引进行实时更新。 图形大师卡马克在2000年左右成功地将纹理虚拟化技术应用到了游戏《毁灭战士3》中。

▷▶虚拟纹理插画

顺着这个思路，似乎几何模型也可以被“虚拟化”。 事实上，类似的技术很早以前就已经出现了。 20世纪80年代初，卢卡斯影业图形部门的几位大师创建了REYES渲染架构，该架构将参数化曲面动态细分为微多边形，然后使用算法将其过滤掉。 关闭 1 像素大小的微表面并渲染它。 卡马克后来尝试了这种方案，但由于特殊的几何存储方式、GPU管线性能等原因，该方案长期没有达到预期的效果。 毕竟，硬件基础决定上层建筑。

雷耶斯关于 GPU

但很快，随着显卡的出现，显卡可以做更通用的计算。 原本复杂低效的渲染管线也可以通过Mesh得到优化，水平三角形绘制似乎也成为可能。

▷▶ : 您使用的是AMD

作为长期研究各种引擎技术（CEO Tim 将 REYES 和光线追踪定位为两大 GPU 发展方向）并在业界不断落地的领导者，Epic 一出现就抓住了机会并公开。 虚幻5虚拟微多边形几何技术的演示震惊了整个行业。 从官方透露的信息来看，为了通用性，他们没有使用提供的技术而是直接用其制作软光栅，同时配合自定义算法进行像素级的三角形去除，真正实现无限“LOD”。

5：多么史诗般

无独有偶，网易迅雷Fire 最近在虚幻5官宣之前也发布了类似的“瞬间渲染技术”，同样采用3D扫描技术+（准确的说，与虚幻5不同）实现高端渲染。 精密模型渲染可支持多达21亿人脸的游戏场景。 而且，他们已经将场景发布到倪水寒的每周版本更新包中，这足以说明几何模型虚拟化技术已经在实际生产环境中得到了部分应用，前景也逐渐变得明朗。

3D扫描建模技术在PC游戏《冷水》中的应用

说了这么多，它真的能立刻颠覆游戏行业吗？ 当然不是。 首先，从技术上来说，显然存在很多限制。 例如，目前不支持骨骼模型（即角色模型）的渲染。 例如，Demo中展示的高精度场景需要3D扫描技术，而许多物体的材质很难扫描（例如大气、水或非真实感渲染物体等）。 虽然通过收购为用户提供了大量免费的高精度资产，但实际生产环境相当复杂，在使用过程中难免会暴露出很多问题。

其次，如此复杂且高精度的模型以及相应的高精度纹理会很快填满你的硬盘，而且导入导出操作也会考验机器的带宽。 今天测试完Demo后发现，没有1T SSD+显卡的机器确实无法流畅使用。

最后，任何技术从出现到得到广泛应用都是一个漫长的过程。 哪家企业在制造产品时会立即采用新技术，放弃目前稳定的流水线？ 即使可以，是否需要一些时间来适应新的工作流程？ 人员的学习和培训也需要时间吗？ 所以大家还是需要理性看待，根据实际情况决定是否使用。 但无论如何，支持几乎无限的模型面孔的成就已经足够了。 可以预见，未来3D扫描技术在相关行业的应用将会得到推广。 扫描建模与艺术资产制作流程的结合可能会逐渐成为行业的主流解决方案。

流明

Lumen 是一种完全动态的全局照明解决方案，可以实时响应场景和照明变化，无需专门的光线追踪硬件。 由于光的反射，在真实环境中很难看到没有任何颜色的物体（即使是在黑暗的角落）。 全局照明 (GI) 简单地模拟了光几乎无限地反射到真实环境中各个地方的效果。 实现全局照明的核心思想是光线追踪，这意味着需要正确计算光线会击中哪些三角形。 但在实际情况中，我们经常使用光照图的预烘焙来实现相对高质量的效果，同时避免大量的实时计算。 因此，你会发现很多游戏场景的灯光效果几乎没有变化。

box，左边是照片，右边是全局光照的渲染效果

GI技术实际上已经被研究和使用，主要从硬件和软件两个方面进行优化。 在硬件方面，RTX技术主要用于加速计算，而在软件方面，主要采用各种定制的加速结构来简化计算，例如基于体素和基于屏幕空间的全局照明算法。 Lumen 是一个在软件层面结合了多种全局照明算法的解决方案。 它对远处场景使用体素计算，对附近场景使用屏幕空间光线追踪校正。

Lumen的优点在于，它不需要每次更新光源时都要等待纹理烘焙并频繁修改光照图UV，从而大大提高了美术工作的效率。 同时，借助该技术，可以实现非常细致、逼真的反射效果。

说到这里，我发现了一个很有趣的点。 为了高效地达到理想的渲染效果，人们一直在三维空间着色和屏幕空间着色之间来回跳跃。 3D 模型太多？ 然后我们获取屏幕空间并统一处理（Pixel）。 GPU性能提升但屏幕空间效果不完美？ 为什么不回去优化模型的着色逻辑呢？ 拓展一下，其实我们经常会遇到类似的问题，是不是运行速度太慢了？ 首先将数据缓存到内存中。 内存占用太大？ 然后我会实时计算结果。 很多时候，我们都在各种解决方案之间进行选择，而随着技术（比如硬件）的发展，旧的解决方案可能会再次被使用（实时光追、深度学习等）。

其他相关技术如混沌物理和破坏系统、动态IK、卷积混响和环境立体渲染等，实际上已经在2019年的虚幻引擎4中添加了，但它们一直在不断改进，所以我不再赘述这里。 。

▷▶图中人物全部由粒子实现

谈谈游戏引擎

关于虚幻引擎，如果你深入了解，你会发现它是一个结果导向的引擎。 用户想要什么功能我们就做什么。 由于Epic的团队本身也是游戏开发者，因此他们也是虚幻引擎最忠实的用户，能够站在用户的角度考虑大家的需求。 我认为这就是它如此受艺术家和规划师欢迎的原因。 相比之下，Unity似乎更追求架构的完美和技术的创新。 他们会实时更新各种前沿技术和设计（例如深度学习框架），不断调整和优化代码框架（DOTS）。 虽然我们也在努力提供各种工具支持，但毕竟我们的精力有限，短期内很容易造成各种工具链功能不全、用户体验差等问题。

当然，虚幻引擎注重结果的本质并不意味着他们不关心系统架构。 Epic的CEO早在2005年就已经构想了虚幻引擎未来的发展方向，比如引擎计算架构的分层。

下一个：游戏

现在的确实是基于这个想法。 管道、数据密集型计算等都交给了ISPC（物理模拟），一些插件的设计也会采用类似ECS的思路来设计。 这些与Unity的Burst+Job系统类似，只不过， 认为以中心形成的整个系统（尤其是）过于臃肿，很多上层系统有些被迫被用户使用。 这被认为是历史遗留问题。

了解两者发展历史和未来的朋友就能明白，没有一款发动机是各方面都无敌的。 这只是无数从业者几十年来的一点点积累和优化。

▷▶虚幻引擎（开发路线图）

未来

目前对于游戏行业来说，如果能够放弃纹理、UV等提升性能的妥协，高品质游戏的成本将会大大降低（注意，主要针对高品质、高清游戏）。 与虚幻4的影响类似，小团队作品的上限将会不断提高，更多意想不到的优秀作品将会出现。

对于成熟的商业项目来说，渲染只是其中的一个部分，最终的呈现关系到很多方面。 因此，Lumen等技术只能为整个项目带来非常有限的改进。 幸运的是，UE5 的重点不仅仅在于渲染。 动画、音频、视频、协作等方面的新功能也将为开发者带来巨大的帮助。

对于影视行业来说，影响更大的并不是虚幻5本身，而是具有高质量渲染效果和配套工具流程的实时游戏引擎（包括虚幻4和Unity，以及各大公司开发的引擎或工具） ））。 鉴于实时渲染技术的不断创新，现在很多公司都使用虚幻引擎（国内动画公司大多使用它）。 我们可以在Daz中找到合适的数字人，在Daz中找到合适的扫描模型（UE用户免费），然后花钱购买一些表情捕捉和动作捕捉解决方案，未来虚拟电影制作的成本肯定会进一步提高减少。 创建视频似乎不再那么困难了。

▷▶美剧《曼达洛人》场景使用虚幻4

随着技术的不断发展，图像质量仍然会提高，但人们可能不再局限于对图像质量的无限追求。 那么渲染技术的结局是什么？

我们期待虚幻5的进一步表现，期待数字时代的真正到来。 我相信，我们正处在信息革命的浪潮中，我们既是历史的见证者，也是历史的参与者。

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