游戏画面渲染原理

游戏画面渲染原理 · 颜值笔记

黑神话悟空·画面逼真之谜

从三角形到光线追踪，一场渲染技术的盛宴

💡 核心路径
建模→顶点坐标变换→光栅化→光照与阴影→路径追踪。每一步都是数学与硬件的极致协作。

📐 一切始于三角形

游戏场景中的岛屿、城堡、怪物……均由数万个小三角形构成。三角形因稳定性、计算高效、硬件兼容成为GPU渲染的基本单元。

350万+

一个场景中虚拟摄像机捕捉到的三角形数量

600+

场景中可显示的独立物体

76万

示例火车模型使用的三角形数量

83亿

理发店场景中的光线数量

🎥 虚拟摄像机 & 矩阵计算

每个三角形的顶点都带坐标。玩家视角移动时，物体顶点坐标与摄像机坐标进行矩阵运算，计算出屏幕上对应的 xyz 位置。全部坐标计算完毕，3D画面便在2D屏幕上呈现。

“高端显卡拥有一万多个内核，每秒可执行35万亿次32位乘法和加法运算，轻松实现120帧甚至更高。”

—— 硬件算力支撑

🔲 光栅化 · 从三角形到像素

※ 着色后的画面只是“彩色平面”，下一步需要添加光与影。

🌓 光照计算 · 明暗与材质

场景真实感来自光线方向与三角形法线的夹角。余弦值（0~1）乘以材质颜色，得到阴影明暗。同时加入环境光强度防止背光面全黑。

🪵 木板示例

面对光源时变亮，背对时变暗。多光源则需要将各方向光线强度合并计算，但计算量大，通常限制每盏灯的影响范围。

物体材质属性（粗糙、光滑、金属、玻璃、水等）在光照下呈现不同效果。例如水面产生高光区域，沙滩形成明亮区。这些光线反射到虚拟摄像机，形成最终2D图像。

✨ 路径追踪 · 电影级逼真

传统局部光照缺少物体间光线反弹，不够真实。路径追踪则改变方式：

🎬 经典案例

《疯狂动物城》《海底总动员》等电影均依赖路径追踪。工程师花费30年解决这一难题，将被动接收光线转为主动发射，大幅提升真实感。

📊 惊人数据
一个简单的星际战斗场景所需计算量，需地球上近80亿人每秒计算一次，连续工作12天才能完成。而如今消费级显卡即可实时渲染路径追踪画面。

“光线从虚拟摄像机镜头发出，击中杆子背面，附加光线被遮挡，无法到达光源，它就变得阴暗很多。”

—— 路径追踪的阴影原理

📌 总结：游戏画面渲染是一场精密的多阶段工程——
① 三角形建模 → ② 顶点坐标变换 → ③ 光栅化着色 → ④ 光照与阴影计算 → ⑤ 路径追踪提升全局真实感。
每一步都需要数学、计算机图形学与硬件算力的协同。正是这些技术，让《黑神话：悟空》等大作呈现出令人惊叹的视觉奇迹。