解码《黑神话：悟空》背后的计算机技术

摘要：本文介绍了《黑神话：悟空》游戏中的计算艺术和视觉表达技术，分析了其中的图形造型、图形渲染和性能提升等方法和策略，讨论了东方美学和东方文化融汇的独到之处，给出了未来高端游戏和数字创意产业发展的若干讨论。

本文介绍了《黑神话：悟空》游戏中的计算艺术和视觉表达技术，分析了其中的图形造型、图形渲染和性能提升等方法和策略，讨论了东方美学和东方文化融汇的独到之处，给出了未来高端游戏和数字创意产业发展的若干讨论。

今年夏天，一款单机版游戏《黑神话：悟空》成为中国游戏的一座新里程碑，被誉为3A现象级中国游戏（3A游戏泛指高成本、高质量、高体量的单机游戏）。游戏发布后不久，铺天盖地的报道席卷整个互联网，游戏体验、文化背景、商业价值等诸多层面的讨论热度在抖音、B站、视频号上空前高涨，影响力可与当年《流浪地球》上映媲美。作为一款以中国古典文学名著《西游记》为背景的游戏，它有机融合了东方美学元素，通过现代化的解读和叙事方式，为经典故事赋予了新的生命力。它的成功在于视觉效果、剧情设计、操作体验等呈现高品质和高水准，为玩家提供了一个充满东方美学和东方文化的浸润式体验空间。其特点可以概括为：中国古典文化与计算机技术的完美结合，数字化物质文化遗产与古典艺术的增亮加持，原生动作捕获与虚拟现实的有机融合，3D扫描与图形渲染的精美表达，4K画质、60帧率以及光线追踪的极致表现等。

2024年8月24日晚，在中国计算机学会（CCF）视频号直播栏目“CCF Talk”中，与会嘉宾首次剖析了该款游戏背后相关的计算机技术，超过1.5万人次观看。9月1日，CCF YOCSEF南京也组织了一次“解码黑神话悟空的游戏科学与艺术”的线上直播活动,进一步讨论了游戏图形造型、图形渲染和性能提升等方面的技术。

笔者结合个人理解和上述活动中专家的一些观点，试图解码《黑神话：悟空》背后可能运用的计算机技术。

虚幻引擎是基座

《黑神话：悟空》是借助虚幻引擎5(Unreal Engine 5, UE5)研发的（见图1）。UE5是由Epic Games开发的一款先进的游戏开发平台，其实时渲染和优化特性确保了游戏的技术水平处于高起点。UE5的一个突破性创新是推出了Nanite技术，它允许艺术家在不牺牲细节的情况下，导入具有数亿个多边形的超高质量模型。Nanite可以实时优化模型，只渲染对场景可见的细节部分，从而大幅提升渲染效率。游戏的视觉往往需要呈现全动态和逼真的光影效果，UE5在这方面具有很好的特性，它的Lumen照明和反射系统能够根据场景变化实时地调整光照和反射，这意味着无须预先烘焙光照贴图，就能实现逼真的光影效果；UE5还改进了阴影渲染技术，通过虚拟阴影贴图(VSM)提供了更加柔和逼真的阴影效果。

图1 《黑神话：悟空》是当前UE5引擎下写实风格画面表现力最强作品之一

角色游戏的另一些需求是真实的物理模拟、破坏效果和高质量的角色动画。UE5的Chaos物理引擎提供了更加真实的物理模拟和破坏效果，使物体间的相互作用更加自然和可信；而强大的动画工具，如控制网格变形的Control Rig以及更高效的动画重定向工具，使角色动画更加流畅和自然。细节层次模型(LOD)、光影视觉呈现和物理交互让游戏创作具有高起点技术底座。

精细造型与光影渲染

《黑神话：悟空》令人印象深刻的地方是丰富的东方美学造型要素，综合了大量中国古寺庙、石窟、古建筑、壁画和人物雕塑等实景（见图2），游戏场景和游戏角色也体现了东方式的魔幻传奇。如果仅依靠UE5，无法达到《黑神话：悟空》的制作水准目标。相关场景和几何造型是一大难题。传统游戏3D造型设计师往往根据游戏剧本、情节和角色设定，通过手绘或数字绘画的方式，创作出游戏中所有视觉元素的初步设计图，再基于原画设计进行3D建模、动画制作、特效合成等。但是在《黑神话：悟空》这款游戏中，完全依靠人工进行美工设计和几何造型是不可能的。从计算机图形学赋能游戏建模的角度看，存在三种主流建模方式：

图2 文化遗产数字还原工艺

• 正向建模，从无到有地创建模型，常用于从头开发复杂场景；

• 逆向工程，通过激光扫描等技术，将现实世界中的物体转换为虚拟模型；

• 多视图重建，通过多角度拍摄生成三维模型，广泛应用于文化遗产和大场景的精细建模。

逆向工程和多视图重建是“数字孪生”的重要途径。基于高精度3D实景扫描，包括手持式激光扫描、陆地固定式激光扫描、无人机倾斜摄影等，能够在不损伤建筑物的前提下，快速、精准、完整地采集古建筑和佛像等的三维点云数据，不仅包括大的结构，还有细微的纹理和装饰。经过一系列点云数据处理，如点云去噪、配准、补全等，进而将数据导入到UE5建模软件，使游戏中的建筑在细节上能够做到与现实世界媲美。当然，一些对物质文化遗产“重建”和“还原”的技术也运用其中，包括色彩和色泽的还原，使我们在游戏中不仅可以看到遍布中华大地的众多精美塑像，从山西崇庆寺的十殿阎罗、铁佛寺的二十四诸天，到玉皇庙的二十八星宿；还可以欣赏到深度还原的大量古建筑的细节，从平遥双林寺、晋城玉皇庙，到朔州崇福寺、忻州佛光寺……这些元素不仅丰富了游戏的视觉体验，更让玩家在享受游戏的同时，感受到中国文化的博大精深。

有了几何造型模型，3D真实感渲染是游戏和动漫制作的核心步骤。简言之，图形渲染是通过计算机模拟光线在3D场景中传播的物理过程，将设计人员创作的由视点、光源、3D场景、角色、材质等组成的镜头转化为高度真实感的连续帧画面。全景光线追踪技术经过多年的发展和改进，能够实现更加逼真的光照效果，包括多次反射的间接照明、参与介质（比如透明的玻璃、水等）折射和反射作用、物体遮挡等硬阴影和软阴影、柔和的光晕等，为游戏场景带来更真实的环境光照和阴影效果。

长期以来，真实感渲染需要解决两个核心问题：绘制质量（逼真性）和绘制速度（实时性）。

• 逼真性，需要具有真实感的材质模型和符合物理规律的光线传递模型，包括复杂的双向反射分布函数和微表面模型。由于模型的复杂度与绘制质量紧密相关，因此涉及复杂的绘制方程处理方法，例如蒙特卡洛方法等。

• 实时性，实现游戏实时性需要有光线跟踪渲染管线优化与高效架构、并行场景树遍历和光线求交优化的加速结构等。

全局光照渲染不仅是计算密集任务，也是大规模数据存储任务，给真实感绘制与视觉特效仿真提出新的挑战。得益于机器和图形显卡性能的提升，《黑神话：悟空》通过支持多种显卡技术使光影渲染取得巨大成功。这里面，不仅包括英伟达(NVIDIA)的深度学习超采样(Deep Learning Super-Sampling, DLSS)技术，还包括AMD的FSR 3.0、英特尔(Intel)的XeSS技术等，确保不同硬件配置的玩家都能享受到渲染和性能优化的游戏体验。

细腻纹理与毛发增强

《黑神话：悟空》作为一款注重细节表现力的游戏，为玩家提供了极为丰富的图形设置选项。这些设置允许玩家根据个人电脑的硬件性能，灵活调整游戏中的各种视觉效果，包括视距、抗锯齿、纹理质量、毛发渲染、植被密度等，以确保每位玩家都能享受到最佳的游戏体验。

在早期的游戏中，角色模型往往较为简单，如光头男性或“阿兵哥”，这是因为毛发的渲染生成是当时的技术难点之一。而《黑神话：悟空》在毛发细节的处理上可谓达到了极致。游戏中的“天命人”、各类动物以及其他角色的毛发表现都非常逼真、自然、丝滑柔顺。这一成就得益于被誉为“海飞丝”的技术——HairWorks毛发增强技术。这项技术使游戏开发者能够为角色植入成千上万根动态毛发。每一根毛发都能根据角色的动作和外力作用，呈现出逼真的动态反应，极大地提升了游戏的真实感。此外，借助特殊的视觉运输技术(visual transport technology)和强大的GPU硬件支持，这些动态毛发还展现出丰富的色彩渐变效果，以及更为自然的光影交互变化。在光影照射下，毛发呈现出明暗交替、光泽流转的视觉效果，使角色形象更加生动立体。

4K画质超分与帧生成

4K画质和60帧/秒的帧率是《黑神话：悟空》等现代高端游戏的标志性特征，为玩家带来了极为清晰和流畅的游戏体验。图形渲染超分辨率(super-resolution)技术和帧生成技术(frame generation)起到了至关重要的作用。与传统的图像超分辨率技术相比，这些技术在游戏领域的应用具有其特殊性。在游戏渲染过程中，超分辨率技术并非直接在像素空间操作，而是通过优化渲染流程实现。这通常涉及渲染流程的早期阶段，例如在几何处理或光照计算之后，但在最终输出像素之前，利用更高分辨率的几何数据和光照信息生成更高分辨率的图像。游戏开发者可以通过自定义渲染路径优化超分辨率的效果。例如，通过多个渲染通道分别处理反射、阴影、光照等视觉元素，并将这些元素合并成一张高分辨率的图像。

NVIDIA的DLSS技术，特别是DLSS 3.0和3.5版本，为《黑神话：悟空》等游戏的图形处理提供了强有力的支持。DLSS技术是英伟达光线追踪显卡(RTX)技术的一部分，它利用深度学习模型将低分辨率的输入生成高分辨率的输出，从而在提升游戏帧率的同时保持图像质量。帧生成技术，如英伟达的DLSS 3.0/3.5以及AMD的FSR(FidelityFX Super-Resolution)和TSR(Temporal Super-Resolution)中的帧生成选项，通过AI算法在现有帧之间插入新帧来提高游戏帧率。例如，如果游戏原本只能以30帧/秒的速度运行，帧生成技术可以分析前后几帧，并在它们之间计算出新的帧，从而将帧率提升至60帧/秒。

DLSS 3.0/3.5技术特别适用于光线追踪环境，它能够在尽量不牺牲画质的情况下显著提升游戏帧数。这项技术允许游戏以较低的分辨率（如1080p）进行渲染，然后利用AI和游戏引擎提供的数据，输出接近原生4K分辨率的图像质量。截至2023年，已有超过35款游戏集成了DLSS 3.0/3.5技术，包括《瘟疫传说：安魂曲》《原子之心》和《赛博朋克2077》等。通过采用DLSS 3.0/3.5技术，现代游戏不仅可以提高游戏帧率，还可以优化游戏的响应速度和系统延迟，为玩家带来更加流畅和生动的游戏体验。

物理破坏与流体仿真

物理破坏效果的渲染是现代游戏中视觉震撼性的重要体现，它能为玩家带来前所未有的沉浸式体验。在《黑神话：悟空》等高端游戏中，物理破坏效果的呈现离不开现代游戏制作中的图形仿真与渲染技术。

物理破坏与流体仿真依赖于高性能的物理引擎

物理引擎能够模拟现实世界中的物理现象，如碰撞、破碎、弹射等。通过精确计算物体的质量、弹性、摩擦系数等物理属性，游戏中的物体在受到外力作用时，能够呈现出真实的破坏效果。例如，当角色击碎一块石头时，物理引擎会根据石头的结构和受力情况，计算出破碎后的碎片分布和飞散方向。在游戏制作中，流体仿真可以显著增加沉浸感和视觉表现力。游戏中的水体、烟雾、血液等的流动或扩散效果都经过精细的流体动力学计算，确保了每一处细节都能以极高的逼真度呈现。这种对自然现象的精确模拟不仅增强了游戏世界的真实感，也为玩家带来了更加丰富和动态的游戏体验。

• 水流动效果：游戏中的水体，如河流、湖泊、海洋以及雨水等，通过流体仿真技术呈现出逼真的流动、波动和折射效果。

• 武力波动：在战斗或动作场景中，武器或技能造成的冲击波可以引起周围流体（如空气和水）的动态反应，增强战斗的紧张感和视觉冲击力。

• 蒸发和烟雾效果：热量或化学反应可以导致液体蒸发，或者产生烟雾效果，流体仿真技术使这些现象在游戏中表现得更为自然和连贯。

• 血液流动效果：在战斗或受伤场景中，血液的流动、溅射和扩散效果通过流体仿真得以真实呈现，增加了游戏场景的残酷感和现实感。

• 环境互动：流体仿真还允许游戏中的角色和环境之间进行更为复杂的互动，例如角色游泳时产生的波纹，或是物体穿越烟雾时的遮挡和透视效果。

图形渲染技术为物理破坏效果提供强大支持

基于几何着色器的动态破碎技术，可以在不增加额外几何复杂度的情况下，实时生成物体破碎后的几何模型。此外，通过像素着色器和计算着色器，可以实现物体破碎过程中的各种视觉效果，如碎片飞散、烟尘弥漫、火花四溅等。光线追踪能够实时计算光线与物体表面的交互，包括反射、折射、散射等。当物体发生破碎时，光线追踪技术可以实时反映破碎物体表面的光照变化，使破坏效果更加真实。

高质量的纹理材质渲染和碰撞检测技术是关键

游戏开发者会使用高分辨率纹理和复杂的材质系统，为物体表面带来丰富的细节。当物体遭受破坏时，这些纹理和材质会随之变化，呈现出真实的损伤效果。例如，墙面在遭受撞击后，会出现裂纹、凹陷等痕迹。碰撞检测技术则是实现物理破坏效果的核心。它负责实时监测游戏世界中所有物体之间的相互作用，确保它们按照物理定律正确地响应。碰撞检测涉及以下关键点：

• 几何计算：碰撞检测需要精确计算物体的几何形状，以确定何时何地发生碰撞。这包括检测凸多边形、球体、胶囊体等基本几何形状之间的相交。

• 动态响应：当检测到碰撞时，系统会根据物体的物理属性（如质量、弹性、硬度）计算出碰撞的响应。

• 碎片生成：在物体被破坏时，碰撞检测技术会与破坏模拟相结合，生成合适的碎片。这些碎片的大小、形状和数量都是根据物体材料和碰撞强度确定的。

• 物理约束：碰撞检测还涉及对物体运动施加物理约束，如摩擦力、空气阻力等，这些都会影响物体在碰撞后的行为。

• 优化性能：为了保持游戏运行的流畅性，碰撞检测系统需要进行优化，减少不必要的计算。这通常涉及空间分割技术，如四叉树或八叉树，以及层次碰撞检测算法。

《黑神话：悟空》在物理破坏与流体仿真上超越了一般的传统游戏，但是我们也能看到其在物理效应和流体仿真方面依然有提升空间，特别是碰撞检测等方面仍然有物体“穿透”效应和因复杂效应仿真性能不足导致的游戏“卡顿”现象。流体等的高效仿真依旧是技术难点，包括流体-固体耦合、气体-液体耦合、多相流体、流体控制等，需要学术界和工业界的共同努力。

动作姿态和微表情生成

《黑神话：悟空》中，无论是战斗场景的流畅度，还是角色动作的细腻程度都让人眼前一亮（见图3）。其电影质感的画面、独具中国特色的美术风格、逼真的打斗场景，已成为玩家津津乐道的话题。

图3 超过100场差异化的精英怪物/BOSS战斗

这涉及空间计算技术的大量运用，特别是运动捕捉技术。游戏中角色的各种动作，包括走、跑、跳、攻击、防御、攀爬、游泳等基本动作和特殊技能动作，都可以通过动作捕捉技术先精准记录演员的动作再转化为游戏角色动画来实现。例如虚拟动点光学定位捕捉技术OptiTrack，具有高精度、低时延、实时空间定位与跟踪等优势，能全方位展现角色活力，显著降低动画师手工制作动画的人力和时间成本。此外，不仅是肢体动作，还包括角色的细腻神态与姿势捕捉等细节也需要通过动作捕捉来实现。通过1:1记录真实人物的这些细节，能够让游戏中的虚拟形象更加逼真和生动，增强玩家的代入感。

《黑神话：悟空》在人物和角色微表情的呈现上也展现出了极高的技术水准。为了实现丰富细腻的微表情，目前可以采用多种先进的技术手段。

• 面部捕捉：利用高级的面部捕捉技术，通过高精度的摄像头和传感器捕捉演员的面部表情，确保每一个微妙的变化都能被记录下来。这些数据被处理后，转化为游戏中角色的面部动画，使角色的表情变化如同真人般自然。

• 肌肉模拟：通过运用面部肌肉模拟技术，进一步模拟出面部肌肉的收缩和放松，从而在角色表情变化时，能够更加真实地反映肌肉的运动和皮肤的表现。这种技术让角色的微笑、皱眉、惊讶等微表情更加生动和逼真。

• 眼球追踪：为了进一步提升微表情的细腻度，眼球追踪技术能够精确地捕捉角色眼球运动的方向和速度，使角色的眼神更加传神，能反映出角色的内心情感和思考过程。

• 光影处理：在光影处理上，游戏利用了先进的渲染技术，如次表面散射和光线追踪，这些技术能够根据面部结构和光照条件，计算出光线在皮肤下的散射效果，以及光线在眼球和毛发上的反射效果，让角色的面部表情在不同光照下都能保持真实和细腻。

因此，结合高级面部捕捉、肌肉模拟、眼球追踪、光影渲染等多种技术，现代游戏技术可以成功地实现游戏中角色丰富细腻的微表情，为玩家带来沉浸式的游戏体验。

总结与展望

总而言之，《黑神话：悟空》的成功离不开高性能计算、3D扫描、动作捕获、图形渲染、图像生成和虚拟现实等技术，是新一代信息技术和人工智能重工业时代的产品。研发团队的匠心独运，中国古典文化与计算机艺术的完美结合，国际水准、中国故事和东方美学的三重加持，让《黑神话：悟空》成为现象级产品，也成为中国文化输出的名片，同时也将启迪未来高端游戏，乃至数字创意产业的发展。

技术革新与行业标准提升。随着信息计算技术的不断发展，可以预期《黑神话：悟空》的成功将激励更多中国游戏开发商投资高端技术，如更先进的物理引擎、更真实的图形渲染技术、更高效的虚拟现实体验等，进而推动整个行业的技术进步。

传统文化传承与国际化创新。《黑神话：悟空》的成功展现了将中国传统文化瑰宝与现代科技结合的巨大潜力。未来，我们可能会看到更多以中国古典文学、历史、神话为背景的游戏作品，这些作品不仅能传承中国传统文化，也在创新中赋予传统文化新的生命。中国游戏开发商可能会更加注重国际市场的需求，推出更多具有国际视野和文化包容性的作品。

多元跨界性合作和学科交叉。游戏产业的成功可能会促进不同艺术形式的融合，吸引其他领域，如电影、文学、音乐、美术和哲学等，与计算艺术的跨界合作，创造出更多元化的娱乐体验，也将促进学科交叉型创新人才培养。

游戏产业多元化与牵动效应。《黑神话：悟空》的成功可能会激发中国游戏产业的多元化发展，不仅限于大型游戏，还可能包括独立游戏、移动游戏、电竞等多个细分市场；也将带动硬件制造、软件开发、内容创作、文旅市场等相关产业链的繁荣，为中国的经济增长提供新的动力。

致谢：本文所有图片来自《黑神话：悟空》IP介绍手册，文字内容参考和融合了CCF Talk和YOCSEF南京Talk研讨嘉宾的观点，并进一步整理而成。参与嘉宾包括：李小兵、杨旭波、刘跃军、王晖、过洁、魏明强、王贝贝、严宝平、谢海春、吴天星、巫义锐