“暗黑”雅典娜：AO环境光照技术解析
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在GeForce GTX275发布的同时，NVIDIA还推出了新的Forceware 185.68驱动。从官方的说明文档上得知，这款驱动主要为刚刚上市的PC游戏《超世纪战警：暗黑雅典娜》专门进行了优化，另外还加入了对Ambient Occlusion（环境光照）的支持。这种被广泛用于CG专业设计领域的图形技术第一次出现在了消费级显卡上，那么它会给游戏的画质和流畅度带来怎样的影响呢？下面我们就来看看“雅典娜”不为人知的一面。
自然光线的真实性
我们先来了解一下，目前光线在计算机图形领域的表现能力。自然界真实的光是很复杂的，当光线从太阳、灯泡等光源发射出来后，除了直接照射物体表面，还会根据物理光学定律产生反射、折射光线，这就产生了环境光，并在人们眼睛里面呈现出了极为丰富的层次感和空间感，从而得到真实的光影感觉。
例如，当我们站在房间中，阳光通过窗户射入屋内，并被在房间的墙壁、书柜、沙发等物体遮挡，产生了阴影。同时在物体表面借助阳光的反射和折射产生了大量的漫反射光，这些漫反射光线在房间中不断反射，从而照亮一些阴影中的物体，形成了有空间感的光照效果。
然而在3D游戏中要模拟这种真实的光照效果是比较困难的。标准的光照图形效果是以场景中的光源为基础来计算表面颜色的，只有光线轨迹上的物体才会产生阴影，而并不会影响其他物体的光线。通常在某个游戏场景中，人物、树木以及建筑物都是由单一光源照亮，然后根据遮挡程度降低其被遮挡部分的亮度，再生成阴影。
然而这种阴影只是单纯的亮度降低，所有物体阴影的深浅都一样，没有过渡般的层次感，这明显不符合真实的效果，因而以前的3D游戏即使有动态光影效果，但阴影部分仍然比较死板。比如当年以光影效果而闻名的《DOOM 3》，虽然其光影效果令玩家们印象深刻，但该游戏在处理光照效果上却存在重大缺陷：当游戏场景处于光源之内时是光亮耀眼，而光源之外则是漆黑一片，明亮区域与黑暗区域之间缺乏过渡，这样整个场景看起来就显得相当生硬突兀。为此，环境光照、屏幕空间环境光照等技术被加入计算机图形技术中。
环境光照的实现原理
Ambient Occlusion（环境光照，以下简称AO）是一种柔软阴影技术，根据物体间的相对位置调整阴影，实现一种更自然的过渡。在过去如果想要实现类似的实时效果，是非常困难的，可是新的Forceware 185系列驱动结合GTX275为我们带来了对这种技术的体验，并且它对多种游戏都能够很好支持。
AO采用快速而廉价的算法带来非常精确和平滑的阴影，这些阴影会在真正意义上改善图像，它主要能改善阴影，给场景更多的深度，真正有助于更好地表现出物体的所有细节。想象一下，当场景中所有的物体都是由一个光源来产生均匀的直接照明，那么就会得到一个苍白的图像。但是当某些物体阻挡了本应投射到其他物体的光线时，那些物体上被光线阻挡的地方就会变得较暗，越多光线被阻挡，表面就越暗。
AO的计算过程就是在物体表面任意一点上，确定一个固定半径的半球区域，从而决定光线是否在物体表面上该点处被其他物体阻挡，或者半球内有多少遮挡物体，然后根据被遮挡物体的数量、光线的吸收幅度来确定该点的光照情况。一旦该点的吸收幅度确定，则物体表面会形成一张灰度级的映射图，用以调制环境光对该物体表面的影响程度，映射图中明暗区域均按比例调节其对环境光吸收的强弱程度。如被遮蔽或者光线被吸收越多的物体表面将会得到更深沉的阴影，反之只有轻微遮挡的物体，阴影则会浅一些。比如在树叶越密集的地方，遮挡越强烈，阴影效果就越为深沉，在树叶较少的地方，阴影就轻微一些。
简而言之，AO不需要任何光照明，它以独特的计算方式生成环境光。同时调整未被阻挡的光线和被阻挡光线所产生的阴影，从而通过改善阴影来显示更好的图像细节，尤其在场景中有很多物体，从而更多阻挡着光线导致间接照明不足时，它的作用会更加明显。
环境光照的特点
那么AO到底能带来哪些好处呢？具体地说，它可以解决漏光、飘忽以及阴影不实等问题，改善场景中细小物体的缝隙、褶皱、材质等表现不清晰的问题，综合改善细节尤其是暗部阴影，增强空间的层次感、真实感，同时加强和改善画面明暗对比，增强画面的美感。
类似的技术最早见于《孤岛危机》的SSAO（Screen-Space Ambient Occlusion，屏幕空间环境光照），SSAO实际上是一个近似于AO的函数，并且以此进行实时渲染。它通过采集像素周围的信息，并进行简单的深度值对比来计算物体上环境光照无法到达的范围，从而可以近似地表现出物体在环境光照下产生的轮廓阴影。由于不使用CPU，全由GPU的Shader流处理单元实现处理，SSAO对GPU有较大的消耗。如果在3D游戏中大规模采用SSAO技术，那么在物体稍微复杂的场景中，显卡就会很快耗尽资源，而无法流畅运行游戏。因此，AO的出现弥补了SSＡＯ的不足，它的主要特点就是用尽可能少的资源，达到SSAO的效果。
为游戏带来更逼真的效果
实际上，以前AO更多被应用于CG图像设计方面，我们可以在Maya等3D软件中见到它。而随着人们认识的加深以及作图的需要，AO也逐渐被用到工业造型、建筑设计上来，如高档轿车的模型展示都会用到AO，而在建筑外观以及室内设计表现中也越来越多地见到它的身影。另外，在《刺客信条》、《生化奇兵》、《使命召唤4》等22款游戏中也均可支持AO，大部分游戏中室内场景的表现更突出，特别是在《魔兽世界》和《冲突世界》等游戏的外景中，AO效果主要体现在草木等植物上。
实现AO的方法其实很简单，只要安装最新的Forceware 185系列驱动后，即可在显卡驱动程序的控制面板中打开相应的选项。在这里我们可以选择“关闭、低、中、高”等几个等级，不同的等级对游戏的图像效果影响也不同。在多个游戏对比中可以看见，AO带来了更逼真的游戏体验，过渡更自然的阴影让玩家可以更容易融入游戏中。
虽然画质提升了，然而在实际应用中，AO却是比较耗费系统资源的。在高画质下，打开中等AO效果后，平均运行帧速下降了20%，而打开最高AO效果后，游戏性能下降非常明显，平均帧速下降了40%，显然就算是目前定位中高端的GeForce 9800GTX+显卡也难以在开启AO后流畅运行，看来AO是真正为GTX275以上级别的显卡准备的。不过这是在高画质下的测试结果，如果渲染质量较低的图像，则可以得到很大的改善。
《孤岛危机》AO效果对比
《兄弟连》AO效果对比
总结
AO的作用主要就是加强阴影，所以处理光照效果应该是十分有效的，它增强了物体的层次感，自然也就让最终画面效果变得更加真实。总的来说，AO是未来3D游戏中比较有发展前途的一种技术，它能够以较少的资源消耗获得十分接近真实的计算机图形效果。作为一种成本不高、门槛较低，并且又能给游戏效果带来明显改善的技术，它必然会得到越来越多的硬件以及游戏厂商的支持。