游戏的进化——画面

我们都玩过各种不同的游戏，它们的画面各式各样，有的像我的世界那般画面廉价、模糊，却有着极高的自由度和可玩性让玩家们深陷其中。有的像地平线黎明时分那般有着超越现实般的瑰丽、恢宏的画面，让玩家一眼就沦陷。

如今的游戏画面百花齐放，这不禁让我思索，游戏画面是如何一步步变成如今这幅模样的呢？

最早的电子游戏诞生于1950年，是一款名为《OXO》的井字棋游戏。当时的游戏平台还是最原始的真空管电脑，没错，就是那个出现在我们课本中，几十吨重的，整整一间教室这么大的电脑。受限于技术壁垒，与它庞大的体积成反比的机能相当羸弱。

电子游戏第一次成为公众娱乐走进大众的视野是在1971年，那一年在美国的电脑实验室诞生了第一台街机。想必视频前的大部分观众，小时候都有在游戏厅里投币拳皇的经历吧。不过，最早的街机受限于机能只能运行画面简单的弹珠台。

同样受限于机能，在1975年，文字游戏成为了最早出现在PC上传播的电子游戏类型，人们只能通过作者的文字来想象其游戏画面，通过输入答案来推进剧情发展。（游戏制作者连做选择题给玩家都做不到）

（如果游戏缺乏提示，玩家无法输入一字不差的答案，甚至会永远卡关）

到了80年代初，任天堂通过家庭主机红白机，开创了任天堂宇宙，也开始了FC游戏时代。魂斗罗，超级马里奥成为了那个年代的人们永恒的记忆。（录音重录）

90年代中期，pentium（奔腾）处理器面世，PC机能取得巨大飞跃。魔兽争霸，古墓丽影，金庸群侠传，生化危机这些我们熟悉的老面孔纷纷登上历史舞台，开始书写自己的传奇。

1999年，NVIDIA发布Geforce256图形处理芯片时提出GPU的概念。GPU可以减少画面渲染对CPU的依赖，标志着电子游戏的画面能够摆脱机能束缚正式进入3D时代。

到了21世纪，网络普及带动游戏发行和网络游戏传播，电子游戏产业上了高速公路开始急速发展。每一年都有更多的游戏涌现，与之相应的竞争也越来越激烈。得益于此，制作出的游戏也越来越精良，画面越来越好。

电子游戏发展至今已将近70年了，在图形软件和芯片技术的不断进步下，电子游戏的画面也在不断进化。本期视频我们就通过软件、硬件多个方面来讲一讲，这大半个世纪以来，游戏的画面是怎么一步一步变成我们现在看到的这样。

1、色深

色深（Color Depth）亦可称为色位深度，是用 bit 数来表示数码影像色彩数目的单位。

这里引用一张宝可梦初代在任天堂掌机GAME BOY上显示的画面，其画面为黑白6bit画面。

大家有没有想过为什么以前的黑白游戏机能够只用黑白两种颜色就能够给我们丰富的画面感和层次感？

就好像中国的水墨画那样，层次分明，无色胜有色。

重点就在“过渡色”上，色深是用来衡量显示器色彩显示过渡平滑度的参数！色深用 2 的幂指数来表示，bit 数愈高，色深值便愈高，影像所能表现的色彩也愈多。如game boy为6bit画面，2的6次方=64个过渡色。

黑白显示器点亮为白色，背光灯熄灭则为黑色。所以实际上黑白显示器是单色显示器。黑白6bit只有64种颜色变化。但它依然让画面生动了起来。

高位色深带给了单色显示器丰富的画面感，同时也让如今的彩色显示器有了更贴近真实的色彩画面。（低色深显示器容易出现色彩断层）

这也是为什么我要第一个讲色深而不是色彩，因为它是游戏画面最早的进化，也是它让游戏画面第一次让人们感受到了“画”。

2、色彩

电子游戏画面的最重要的进步必定是从黑白画面到彩色画面，那是电子游戏迈向“现实”的伟大一步。

说到彩色画面，就避不开显示器的发展历程。

早期的显示器也就是我们小时候见过的大屁股显示器，这类显示器叫做CRT显示器，目前已经退出市场。现在我们常常见到的显示器叫做LCD，即液晶显示器。

1858年，物理学家在制造“闪电”的过程中意外发现对真空玻璃管进行通电，可以让阴极的荧光材料发亮（此处玻璃管涂满了荧光，能够清晰的看见电子路径），这就是阴极射线管。并且可以通过改变磁场来改变射线方向（1871），只点亮需要点亮的区域，根据这个原理，科学家们制作出了最早的显示器。（黑白CRT）

当然，人们自然不会满足于黑白显示器，彩色显示器也很快被制造了出来。

彩色显示器的彩色图像生成基于三基色原理，即任何色彩都可以用红绿蓝三种基色以不同的比例配合产生。

彩色CRT显示器是在荧光屏上涂满了按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光粉点，射线管会发射三束不同强度的电子束去激发三种荧光粉，这些荧光粉就会分别发出强弱不同的红绿蓝三种光线。经过调节可以让它们混合成我们需要的颜色。

而LCD则略有不同，它是由一整块背光板发光，白光在照射到颜色涂层前会有偏光片起到类似百叶窗的作用来控制透光亮度。改变三基色涂层的单独进光量，从而改变其显示颜色。

还有近年来大放异彩的LED显示器，核心是自发光二极管。二极管本身就可以发出三基色的光。只需要改变二极管的通电量来改变自身亮度就能改变三基色的颜色配比来改变颜色。

目前我们大多都用上了8bit色深的彩色显示器。每一种颜色由三基色调色显示，所以我们目在显示器上能够看到2^8^3=1678万种颜色。

正因如此，我们才能拥有如此缤纷的游戏世界。

3、画面精度（帧数）

说起画面精度就不得不提一种经典游戏——像素游戏。它指的是那一类画面非常粗糙的游戏。为什么游戏画面会看起来颗粒感很重很模糊？问题的答案正是它的名字——像素。

我们小学二年级就学过（这次是真的），电视机的画面实际上是由一个个独立的像素点组成的。而每一个像素点都是由红绿蓝三个荧光粉单元组成，一个屏幕所有的像素点，就是这个屏幕的分辨率。

如果一个屏幕很大而分辨率却很低，就会显得像素点非常大，这时整个画面就会产生很严重的颗粒感和模糊感。（打开一个只有360P的视频，然后悲伤的音乐）

其实很早的时候就已经出现了高分辨率的显示器，但是在当时刚面世时的图形芯片性能孱弱，并不足以在渲染高分辨率画面的同时保持画面流畅。

我们小学二年级就学过（二度开花）视觉暂留效应，人眼在某个视像消失后，仍可使该物像在视网膜上滞留0.1－0.4秒左右。这使得人眼观察到的画面每秒钟跳动10-12幅就会感觉到画面是连贯的。这也被称为似动现象。

我们以前看的胶片电影一般是拍摄24帧画面，并用黑场过渡补到48帧，这时我们就觉得电影很流畅了。但是玩游戏一般低于60帧也会觉得卡，FPS游戏感受会更加明显。

这是因为影视作品为摄影机拍摄，拍摄的曝光是需要一定的时间，这就造成了动作较快的场景会出现运动模糊。这种模糊在视觉暂留作用下产生留影，让人感觉画面是比较流畅的。

而游戏画面是GPU绘制当前画面，绘制完一幅绘制下一幅，且并不会出现运动模糊。但下一幅画面的绘制是需要时间的，如60帧画面为1/60秒绘制一幅（1/60秒并不严谨，实际上我们能看到的画幅数由显卡帧数和显示器刷新率中的那个短板决定），在这个时间里如果游戏场景变动过大，会造成两幅画面变化量过大，就会让人感觉卡顿。

虽说80年代的人们都习惯了像素游戏那粗糙的画面，只要好玩就能获得大家的认可。但是人们心中还是一直希望能够出现画面更加精美的游戏。

1995年，3Dfx发布VooDoo （3D图形加速卡，当时大部分图形卡2D和3D独立）人们只需要花费300美元就可以畅玩当时画面最好的游戏quake。（用CPU渲染画面需要600美元的奔腾处理器）

Voodoo是游戏历史上最有影响力的3D加速卡，也正是Voodoo的成功把用户带入了“3D的世界”。

图形加速卡也就在这时走进千家万户，玩家的平均硬件配置大幅度提高。能够游玩画面更加细腻的游戏了。

当然，硬件的提升不能直接提升游戏画面。因为游戏对即时渲染以及高帧数的特性，这才让硬件算力束缚住了游戏画面。

4、多边形（贴图）

游戏在刚进入3D时代的开荒阶段，游戏的人物和地貌都还是棱角分明。

这是因为在3D游戏中，角色和场景都不再是一张二维图片， 而是一个3D模型。而模型就是由无数个多边形组成的。大家可以对比一下初代与第九代劳拉，初代劳拉的三角形简直无法直视好吗。

有的小伙伴会问，为什么要用多边形来形成曲面呢？直接用弧线完成不好吗？

可以这么办的话当然好啦！但是我之前讲过像素点由三个荧光单元组成，像素点实际上是方形的，像素点之间也存在空隙。所以显示器想要表现出光滑的弧线是不可能完成的。

在显示器上显示一条曲线或斜线就必定会呈现出锯齿感，但是得益于高分辨率显示器的优势，这种锯齿感难以被观察到。多边形画面表现同样也会受限于分辨率，像素点是有限的，如果多边形数量超过了像素点能够表现出的数量，所带来的的画面提升就会微乎其微。

但是在不受分辨率影响下提升多边形数量是对于3D游戏画面精度是最明显的提升，它让原本菱角分明的画面变得更加柔和，真实。

不过，光靠增加多边形是不行的，不然就像是服装店店里没穿衣服的人台一样，空有其形。这画龙点睛之笔就是贴图（游戏画面设置中的纹理质量）。

3D游戏需要把贴图“贴”在模型上。这就好像是做手办一样，先捏出需要的形状再为其上色。一个栩栩如生的人物就出来了。

那为什么以前的贴图这么模糊？是因为美术画不出来精细的图吗？分辨率高的显示器不是很早就有了吗？

这是因为以前的电脑不光是显卡算力不行，就连硬盘都小的不行，放在90年代，有一块512MB大小的存储就已经是吊炸天的存在了，那个时候的游戏都是只有几十MB甚至几MB大。一个游戏贴图的精细程度是可以在很大程度上决定游戏的容量大小。

这也是为什么无论用多好的硬件去玩以前的游戏，画面依旧是模糊的。这是因为游戏的贴图分辨率已经远低于现在显示器的分辨率了。

后来存储的价格不断下降，高容量的硬盘在玩家中普及。这才让游戏厂商敢在不考虑游戏大小的情况下疯狂提升贴图大小。（目前大型游戏一般最高为8K材质贴图渲染）

5、游戏引擎

游戏引擎是物理引擎中的一种。既然也被称作物理引擎，那么它必然是用来模拟物理定律的。

早期的物理引擎只是在简单的情况下去模拟真实世界的物理机制（3D弹球YYDS），就好比模拟重力，游戏角色一个简单的跳跃就包含了加速上升、减速上升、空中静止、加速下降、减速下降、地面静止种种变化。

开发者需要去为每一个角色、每一个场景去适配合适的各阶段加速度，这并不是简单的套用G=9.8M/S重力加速度。

不同高度的人物，不同的场景仅仅是跳跃这个简单的动作就能够带来完全不一样的游戏性和游戏体验，这尤其体现在一些跑酷游戏中。

所有游戏引擎更加注重游戏性而非真实性，通常只要与现实有近似性就足够了。这样的近似性模拟是为了给玩家带来“感知正确”的认知。

虽然以前的物理引擎做出来的游戏的物理规律与现实可能相差甚远，比如人物的跳跃居然是匀速运动，在最高最低点瞬间停止。这些也都可能是受限于机能导致的结果。

经过十几年的发展，物理引擎不光是能够模拟基础的刚体动力学，也能模拟柔体弹性物体。再之后就是模拟流体，以及更高的粒子效果。

到了如今，甚至可以模拟全局光照，做到如同现实般的光影效果。

当然模拟物理效果只是游戏引擎中的一个功能，它更是一个已编写好的可自由编辑画面图像的API，里面有各种各样开发者为游戏制作者提供的绘图、渲染、模拟功能的工具。以方便制作者节省设计底层逻辑的时间，寻找画面素材、工具的时间。

它是一个成熟的工具，游戏引擎之于游戏制作者就好比Excel之于会计一样吧。

在过去，微软的DirectX（多媒体编程接口）还未成为主流，这就导致每一个图形卡厂商都有自己独立的API。

而每一个游戏制作者都必须基于游戏登陆的平台的硬件（包括GPU、声卡）选择其API（应用程序接口）来制作游戏引擎。而且为了保证在不同电脑不同硬件都能够正确运行，必须为每一个不同的硬件制作不同的驱动程序。

这样做不但导致了游戏开发进程缓慢，资源利用率低下。而且玩家们买了新游戏回来并不是只要安装到电脑上就可以玩了。

他们往往首先要设置声卡的品牌和型号，然后还要设置IRQ（中断）、I/O（输入与输出）、DMA（存取模式），如果哪项设置的不对，那么游戏声音就发不出来。我敢打包票，绝对可以逼死绝大部分电脑小白。

微软正是看到了这个问题，将显示、声音、输入和网络四个部分整合成多个API并组合到一起。硬件厂商、游戏开发者们只要想让游戏登陆Windows系统，都必须支持DirectX。这样才成了我们现在的电脑游戏即下即玩的样子，也让游戏引擎有了商业的可能。

不过，第一个（大概）商业化收授权费的物理引擎并非是基于directX的。而是上文提到过的，基于openGL支持其硬件加速的quake引擎。在几年后，id software甚至将该引擎开源，任由全世界的游戏开发者任意使用和修改底层逻辑。

这也造就了后来的半条命的GoldScr引擎（基于quake引擎修改），GoldScr引擎虽然画面没有超越它的老父亲，但是却有着极高自由度的可塑性。

半条命开发商V社将引擎开放给玩家社区，玩家利用它做出的半条命MOD，后来被G胖收购并做成了享誉世界的CS。

唉，也许伟大的游戏总能催生出另一款伟大的游戏吧。

其实游戏引擎对游戏画面的提升并没有帮助，它本质上是游戏开发者制作出的工具。但它对游戏的制作却是革命性的提升。

最早的游戏制作本没有游戏引擎，游戏需要什么样的功能（如拾取和丢弃道具）制作者就加一段代码。

这导致很多同类游戏都会有产生重复的工作量，刚开始游戏制作者们只是会重复使用这些基础代码。后来他们为这些代码新添了许多API（应用程序接口），为了方便理解，我们也可以称之为可视化编程。

这种软件可以让游戏制作的工作量显著减少，到后来这个软件越来越完善，甚至可以让完全不懂代码的人来制作游戏。只需要点击对应的按钮，就可以实现需要的功能。只需要几个数据，就可以完成精确的场景搭建。（仅限于画面简单的小游戏）

想必很多小伙伴都用过魔兽争霸3的地图编辑器，其实这个编辑器就是暴雪的银河引擎。现如今，火遍全球的moba游戏雏形：DOTA和澄海就是在这个引擎中诞生的。

游戏引擎降低了游戏的制作门槛，也降低了游戏的开发成本，让更多的人加入到游戏的制作中来。

让寥寥数人也能制作出画面精良的游戏，使游戏大厂在控制成本的同时做出画面更好的游戏。这又何尝不是游戏的进化呢？