PC 游戏画面做到电影水准需要怎样级别的硬件支持？
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PC 游戏画面做到电影水准需要怎样级别的硬件支持？
【Filestorm的回答(150票)】:
《指环王》本身包含的大量CG，也是拿电脑一帧一帧渲染出来的。之所以上的CG看起来还有些假，根本的限制来自实时性：游戏要保证在台式机上每秒30帧的刷新率。
为了让玩家早日在主流电脑上流畅地玩《指环王》级别画质的游戏作品，CS科学界在下面两方面都在不断努力着：
1. 更强的硬件。2004年的高配是GeForce FX 6800，其Texture fillrate: 5.6 GOps/s。到了2014年，GeForce GTX Titan Black的Texture fillrate是 213 GOps/s
2. 更好的计算模型，设计新的CG算法，以更低复杂度、更快速度，呈现更逼真的效果。每年SIGGRAPH 几乎都会有这样的算法，从头发到雨雪。
至于到多久以后，游戏在高配电脑上的画质能超过2014年的指环王？我觉得10年内有希望（当然，如果那时候我们还以现在的这种“传统”形式玩游戏的话）。
=====先上图=====
《孤岛惊魂》，2004年作品，CryENGINE 1.3 当时深深震撼了多少玩家。
2014年，还是CryTeK 不过现在已经是CryENGINE 3了。《罗马之子》大概能代表PC端游戏画面的最高水准。
在CG研究领域里，2004年的SIGGRAPH大概是这样的：
Simulating Water and Smoke with an Octree Data Structure
研究烟雾穿过一个球体时的计算模拟模型。研究烟雾穿过一个球体时的计算模拟模型。
2013年SIGGRAPH我印象比较深的一篇是：
A material point method for snow simulation
研究雪的冰晶聚合与被打散过程中的计算模拟模型。
=====总结=====
理论上，低效的有限元法总是可以根据最最基础的微观力学模型模拟复杂的群体行为。但是无论是04年的烟还是13年的雪，都是更为高效的近似算法，极大地（5次方甚至更多的量级）降低了算法复杂度。
如果没有研究上的这些近似，想通过分析每个粒子的行为，比如烟、雪、水等，所需要的计算资源甚至是连CG工作站都吃不消的。
=====补充=====
烟雾那文章是求Poisson equation的近似解，主要贡献是把整个系统分解成更好的octree网格，然后分而治之快速求解。湍流是混沌效应的一种，换言之，稍微近似得狠一点，结果就会差很远。CG和Computational aerodynamics的区别，但是前者的标准是“让一般人一眼看不出区别”，后者的标准是“能比较精确地反映某个尺度下的某些物理现象”。而且无论如何，100%的精确是不可能的，因为总有non-deterministic chaos + uncertainty
【刘义的回答(46票)】:
这个电影级的说法很模糊
因为即使我们以现在的眼光去看很多年前的电影，我们也会觉得假，比如你现在看妇联，看钢铁侠1这些，你都会觉得前景和背景是分离的，是很假的
而几年前的cg电影，和如今的cg电影，一样有不少区别，举例来说就是驯龙高手1和驯龙高手2的画面你一眼都能看出区别
所以如此看来，电影一直都是走在其他视觉表现形式之前，也就是说你的标准总是被有意或无意的被刷新。那么你永远也不会觉得游戏的画面实现了电影的效果
话又说回来了，我之前举过无数次例子的几个PS4，包括XO的游戏，其实他们的画面都挺不错的
比如今年TGS展示过的《最终幻想15》的画面效果
可说在不经意间一看的情况下，人物的表现已经具有了FF7剧场版电影的水准了
以及同样是今年TGS展示过的《合金装备5幻痛》的画面效果
这个游戏因为需要兼顾PS3以及PS4两个世代的主机，外加实现了60帧以及是沙箱的玩法，所以画面上打了折扣，但是实际的画面，尤其是人物的表现依然是很优异的
神海4和1886的例子很多人应该都知道了，我也懒得举例了，这里贴一个《使命召唤尖峰战事》的图片，这个部分暂时并没有明说是否是游戏机渲染的，需要等待后续消息说明
不过第三张图片是在游戏过程中所遇到的一处，所以是实际游戏画面效果
另外说起游戏画面所能达到的程度，自然不能忘了索尼PS4那个最著名的例子了
E3的索尼发布会里，索尼一段技术演示画面极其惊人，几乎已经达到了完全CG的效果
当时那段演示也引起了大家的热议，后来E3开了一场发布会之外的短会，制作人也出来介绍过这个demo
由上述可以看出，主机游戏未来说不定会实现题主想要的要求
并且PC性能实际上远远凌驾于主机，因此理论上是不存在什么不可能的
但是问题在于PC上的开发者并不会对这个平台拼尽全力的去做游戏，这就导致玩家并不知道一款游戏画面的极限究竟应该是什么样
其实题主也可以过个几年再重新回顾，看看那时候主机游戏是否兑现了当初的承诺，做出了电影级的画面
最后再说一句，如果是题主所说的那种指环王。。。
那想都别想了，电影里的千军万马数量虽多，但实际上都是花时间渲染出来的
但是落实到游戏里，那就变成了实打实需要占资源的一件事情，即使你摆出一大堆什么都不能做的模型兵，那也需要耗费很多的资源
更不要说如果你再给这些兵加入其他的运算资源了
但是反过来说，如果你只集中于处理一两个东西，那么画面做到非常非常的真实也并不是难事
【YongHe的回答(32票)】:
我认为在光线追踪用于游戏之前，游戏和电影的差距短时间内是难以弥补的。全局光照和超高精细度的Geometry只有在光线追踪的框架下才较好的集成。游戏中的各种aliasing也是导致其画面看起来很假的重要原因。消除aliasing的代价可以很大，精细的Geometry对anti-aliasing提出了更高的要求。电影中一个像素往往有几百个sample。而目前基于暴力的光栅化渲染架构并不scalable。
各大显卡厂商目前都在研究开发光线追踪硬件。尽管目前的原型都还不足以支持实时渲染任何光栅化渲染不能完美达到的效果（如多光源软阴影和Glossy Reflection），但目前state of the art的光线追踪实现已经能以可交互的速度(~5fps)渲染接近电影级的图像。
在可预见的未来，整个大的趋势是渲染架构将向光线追踪转移。当我们可以将光线追踪的性能提高到今天的100倍的时候，我们将可以在游戏中看到电影级的画质。
这要多久呢？不好说，但我估计10年在技术上或许可以实现，光线追踪广泛用于游戏需要更久，15-20年都有可能。
【孟德尔的回答(11票)】:
要是要求做到玩具总动员那个样，现在的机器肯定是够了，某些硬指标当然达不到，但整体观感肯定是比当年强，毕竟都是光栅化渲染，现在的特效比当年还多。
如果是指环王，现在的工作站并联也办不到吧，PC更不可能了。
从玩具总动员那个例子看，用最顶级硬件做15年以前水平的画面应该可以，指环王就是2020年？
要是想用光线追踪，需要等待原理突破，照现在显卡的发展趋势，完全不可能。
【EdwardLiu的回答(6票)】:
不知道算不算跑题，分享一下这篇文章，讲了VisualFX市场上主流的渲染器：
Pixar的电影每一帧渲染的需要跑10几个小时，他们会有10000+core的计算机群同时运行许多渲染作业。个人觉得就算光线追踪真的快起来了，所有基于大量采样的离线算法也不会直接应用在游戏中，最直接的应用也许是阴影和镜面反射吧。只不过有了光线追踪这个基本工具游戏会多了许多去cheat的可能性（例如插值ray traced shadow与PCF去实现contact hardening shadow等）。对于游戏来说, If you don't cheat, you are just not)
【孙伟的回答(3票)】:
其实以贴图质量、光影特效等方面来看，现在的游戏画面已经很出色了，不同游戏画面有不同风格，有的喜欢写实，有的喜欢浓艳，有的喜欢模糊。而人物建模做到《孤岛危机3》那样效果已经很好了。
现在关键的难点其实是对植被、流体和布料的模拟。
先说植被，《孤岛危机》的植被效果已经很不错了，但是如果你仔细看地上的草，还是会发现很多粗糙之处。然后就是树叶，游戏引擎当然可以增加树叶数量，但那样的话负载太高了，记得是当年NVIDIA发布GeForce 2时展示过一个渲染树木的Demo，里面树的精度可以自己调节。如果无限增加，用现在的GTX 680渲染，帧率都会暴跌至25以下……
流体，当初《半条命2》呈现出了出色了水面映射效果，但那还远远不够，皮划艇在水面划过应该对水波纹产生怎样的精确模拟，里面有大量的计算，然后就是下雨的真实模拟。
至于布料，绝不仅仅限于风中的抖动，人物在起身站立跑步摔倒等不同姿势之间切换，衣服应该表现出怎样的褶皱效果，还有很大提升空间。
另外的就是孟德尔所说的光栅化渲染，要把图像转换成栅格化，采样就会带来画质的损失，反锯齿也不能解决所有问题，最好的办法就是提升采样分辨率，比如NVIDIA最新的DSR技术，可以让显卡以4K分辨率渲染然后“缩放”到1080p显示屏上，相当于提升了游戏时显示器的ppi。
【XiYang的回答(1票)】:
同等技术条件下，总是会有显著差距的。因为人家电影可以用几十分钟渲染一帧，甚至更长的时间渲染一些关键帧；而玩游戏的时候，必需在几十毫秒完成。由于这个时间限制，允许的计算资源明显差了很多个数量级。
由于这个允许时间上的差异，电影在渲染图像的时候，会使用相对“真实”的算法，比如光子发射、分块计算辐照等等。而游戏使用的算法基于固定的管线，场景局部性非常高。全局效果要么使用预渲染的贴图（作为光源等），要么在屏幕空间进行（信息有限，会有瑕疵），是无法与“真实”的算法相比的。
除非技术发展到那种程度，让非常仿真的画面也能够在几十毫秒内完成。
【MagericMageric的回答(0票)】:
实时渲染想要到CG的质量，硬件上要更新，算法设计上也必须提升，瓶颈是同时存在的
【知乎用户的回答(0票)】:
2013 e3的看门狗已经很逆天了……当然还差的远 但是对比08年代的gta 不就是飞跃了么 想都不敢想
【zhiyuanluo的回答(0票)】:
还是要区分纯CGI和与照片合成的CGI。
纯CGI硬件上去了比如显卡重新设计，比如硬件光线跟踪，还是有希望实时化的，至少做到肉眼难以区分吧。
但有些电影中是和真实照片合成的且摄像机轨迹都是精心调整过的，一般的单机游戏就很难追了。
还有个可能就是云计算吧，渲染好了把图片给你传过来，比如同一帧图片渲染成千上万次收敛得到的，有的算法可以做成这成千上万次计算都是独立的，那么只要保证一张图片在几毫秒之内算完最终合成一下就好了。
【徐思源的回答(0票)】:
电影级画质其实要求不是太高吧……参考《无主之地》，不过是动画电影级画质……动画画质就不需要太多真实物理渲染，需求响应降低的非常厉害……
【知乎用户的回答(1票)】:
因为电影的特效是用集群做了好几个月的渲染实现的。而PC游戏都是实时计算的。
除非够土豪买个计算机集群用来打单机游戏，光是想一想就很带感。这个梦想只有靠王校长来实现了。
【李俊佼的回答(0票)】:
差距从来不是硬件导致的，电影是有镜头语言的，游戏没有，电影的人物动作是设计的游戏没有
【王二小的回答(0票)】:
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