2022年，除了吃饭睡觉，似乎没有什么不能在屏幕里解决的。我们在虚拟世界里开会、买菜、直播购物、听演唱会，还有年度热词元宇宙，听起来很酷炫，但这真的是个更好的世界吗？
赫伊津哈在《游戏的人》里说：人类文明的本质是游戏。从1958年人类历史上第一款电子游戏诞生以来，这个行业最聪明的大脑从未停止过对世界的探索。
在游戏里还原长城需要几步？
怎样复刻你的数字人老板？
游戏里的AI队友是坑还是神助攻？
2022年，今天的玩家不仅可以在游戏世界里自由奔跑、战斗，并且可以做更多日常生活的活动，钓鱼、弹钢琴、驯马、被马踹飞......这些技术足够强大以至于开始延伸到游戏之外。
从保护文化遗产到打造数字分身，从训练机器动作到设计卫星算法，游戏技术不断对现实生活提供帮助。这些都是怎么做到的？游戏技术为这个世界带来了什么？
今天12:00，在腾讯视频《青年理工工作者生活研究所》，和十几位游戏行业的一线美术、程序和策划，专家和科学家，聊聊关于游戏里那些顶尖科技。
Part1: 3D世界
真正的三维游戏空间怎么实现？
1992年，游戏中举枪的第一视角在现在看起来平平无奇，而在那个时代却是非常刺激的画面。当时的计算机并没有能力实现真正的3D演算，游戏只是根据平面图生成的假三维。计算机会在你视线所及的每个角度发出射线，计算这根射线与碰撞到的墙壁的距离，搭配上视角的移动和旋转，便会产生空间的错觉，但实际上你只是二维平面上的小点而已。
那么真正的三维世界该怎么实现？
三维世界是由三角形组成的，每个三角形代表一个面，面数越多，模型越精致。加上透明度、颜色、 法线等几层贴图，造型就更加逼真细腻。无论是模型还是贴图，都需要艺术家通过绘画、拍照、扫描等各种方式实现，但只要精度足够高，还原现实世界就不是问题。
（怎样在游戏里还原长城？）
这样我们可以复刻地铁、城市、荒野甚至一座长城。为了复制一段长城，仅仅在喜峰口这一段拍摄的照片就有5万多张，原始素材可超过二三十亿个面。
但是这个虚拟世界的光从哪来？如何复制光线？
光栅化是基本的一种技术，主要是把物体的数学描述以及与物体相关的颜色信息转换为屏幕上用于对应位置的像素及用于填充像素的颜色。
进阶方法需要光线追踪。假设屏幕上的每一个像素都能发射光线，并且继续追踪光线，每个像素发出的光线越多，画面就越清晰，这就是光线追踪技术。但光线追踪会产生噪点，解决方案是把光线追踪也作为一层图叠在光栅化的场景下，在新引擎的加持下，画面已经快像拍照一样自然了。
Part2: 虚拟人物
游戏人物的动作和表情怎么能像真人？
当前游戏中的人物形象已经逐步逼近真实的人类。但除了面部样貌外，动作和表情更是数字人的灵魂。
（数字人能有多逼真？）
1937年，迪士尼用转描技术制作了动画《白雪公主和七个小矮人》，并启发了做动画的重要技术——关键帧。
打开软件，在起点和终点打上两个关键帧，机器会自动在中间生成一堆点，小球会在每一帧上移动，通过调整动画曲线，就完成了一个小球落体的动画。
但对于游戏中的人物动作来说，还需要关节和骨骼，让关节带动骨骼旋转，之后将骨骼和模型绑定，通过控制骨骼，就可以实现整个模型的运动。
一个“大叔”从头到脚全身可有1427个关节和骨骼，看起来非常精密，动作也很灵活。
今天，我们还能够通过动作捕捉的方式更方便地采集真人的动作，甚至连表情也可以捕捉。
为了让人物的表情不再僵硬，我们可以使用FACS系统（面部表情编码系统），将人脸划分为70个左右的独立运动单元，通过不同编码的组合产生不同表情。这种方式也应用到了手机里的Memoji和Animoji中，只要让设计师完成52个来自FACS的表情建模，再通过摄影头采集自己的表情，拆分成不同的表情权重，就可以再组合模拟各种自己的表情，实现情绪控制了。
再大胆一点，我们是不是可以复制一个现实世界的真人？
这是中国女演员姜冰洁。
这是数字人siren。
建模、绑定、驱动、渲染......随着技术的飞速发展，未来，可能一个数字老板就真的出现在你身边了。
但在那之前，我们先要解决和物理世界的交互。
Part3: 物理运动
实时交互是怎么做到的？
在游戏刚刚3D化的时代，里面的箱子只是摆设，后来可以被打飞，再然后花式打飞，看起来非常真实。
我们和箱子之间的交互被称为刚性模拟，简单说就是模拟看上去硬硬的东西，再怎样碰撞不会改变形状大小。
通过模拟和实时计算各种刚体碰撞的情况，可以发现，物理引擎的本质其实和中学物理考试题很像。每隔0.01秒，物理引擎会检测所有方块的接触，基于质量、体积、摩擦力等各种参数来计算受力情况，进而得到0.01秒后它们的位置和速度。
除了方块，人和动物也可以简化成一系列参数连接起来的形状，被称为Ragdoll模型。
但在刚体模拟的世界里，物体不会分裂成爆炸或水花之类的碎片效果。这就需要粒子计算的新方案。
(游戏里的爆炸是怎样实现的？）
把每个物体都看作一系列粒子的组合，只要对每个粒子分别做受力和运动计算，就能模拟液体流动的效果，也能模拟布料和爆炸。粒子间的距离达到一定程度就会脱离出来自由流动。
但是今天绝大多数游戏里的破碎、液体和爆炸效果并不全是实时计算，而是准备了大量提前制作好的动画效果。因为粒子的计算量太大了，实时计算量可能是仅动画的几万倍，非常不环保。现在动画效果带来的体验已经能以假乱真。
而在游戏外的物理仿真正在影响世界，应用到无论是驾驶练习、科研试验，还是训练一只机器狗各个领域。腾讯roboticsx实验室智能体中心就致力于用虚拟技术来赋能实体的机器人，比如机器狗。
一个实时交互的物理世界也建立了。
Part4: 机器智能
你的队友也可能是AI?
今天游戏中最常见的智能模拟方案叫做状态机。从吃豆人、摩托车手到无辜市民，今天的状态机智能已经可以做到真假难辨。
状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心。比如，人有三个状态：健康，感冒，康复中。触发的条件有淋雨（t1），吃药（t2），打针（t3），休息（t4）。所以状态机就是健康-（t4）->健康；健康-（t1）->感冒；感冒-（t3）->健康；感冒-（t2）->康复中；康复中-（t4）->健康等。就是这样状态在不同的条件下跳转到自己或不同状态的图。
在《荒野大镖客2》技术总监的访谈中，我们可以看到，游戏团队给一匹马设计了几百种不同的动作动画.为了表现马在不同场景下的心情状态，就有几百条不同的动画配音。
但这其实并不是真正的智能，只是庞大行为树和动画资源的堆砌。作为Npc还好，如果作为电脑队友就麻烦了。
今天的电脑队友显得靠谱多了。不仅不拖后腿，强化学习AI甚至可以成为人类玩家更好的对手。无论是Open AI还是DeepMind，都在经典的电子竞技项目中击败了顶级人类选手。这是怎么做到的？
用深度学习算法训练游戏AI的本质，其实是设定清晰目标让机器自动求解，随时间推移就可以从完全随机的动作中涌现出智能，比如像人一样走路。下一步，AI也可能培养出自主思考的能力。
这种游戏中的多智能体算法技术甚至应用到了卫星观测上。
在一个去中心化卫星训练框架中，每个卫星都可以看作一个独立的智能体，独立决策，也能跟别的卫星沟通交流。
从人工智能专家的视角出发，游戏是一个非常好的研究环境，实际上深度学习技术的大规模应用也是由游戏的推动。
2005年，微软的Dave Steinkraus等人第一次意识到游戏GPU里蕴含着巨大的计算能力，接近一个通用的并行计算处理器。2012年，多伦多大学的Alex等人成功挖掘出游戏显卡的潜力，开启了深度学习的时代。
过去30年，游戏推动、开拓和积累下来的技术正在不断打破边界，开拓新的可能。
计算能力的进化，相比1999年，今天游戏显卡RTX3090算力提升了一万倍。强大的算力之上，我们可以有更多的模型面数、材质、更强的渲染方案，复刻现实场景，模拟和计算人物的动作和表情，完成对真实行为数据的采集，复制现实中的人类。还有实时计算的物理引擎、基于深度学习算法的机器智能......
今天，我们可以在现实世界里看到越来越多游戏技术的应用，而这些技术正变成一个统一的词汇——GameTech。
这些技术团队过去可能并无交集，现在却在此刻汇聚，创造想象，改变现实，而这背后是我们对游戏的喜爱。
“在真实世界中我可能只是一个乖学生，但在游戏里我可以是一个兵团长”。
沉浸式的剧情、电影感的镜头，无缝切换的角色，自由多样的人生，游戏已不仅是娱乐的工具，也蕴藏着科技的价值与文化。
“在中国做游戏的都有一个心愿，就是为中国游戏能做点什么”。
回顾我们玩的游戏就会发现，游戏的本质其实是学习。就像出生以来，我们学会哭、学习说话、爬行、表达一样，在游戏中，我们同样观察、行动、探索，在全新的世界里发现秩序和意义，并作出决策。
30年前，游戏更像是有关模式识别和运动协调能力的小练习。30年后，底层技术的突破让我们可以在游戏中学习无限可能。
很多时候，进步就是这样开始的。
游戏里都藏着哪些厉害的技术？
从1958年世界上第一款电子游戏诞生以来，仅仅在几十年间，游戏技术却经历了指数级发展。
三维世界：过去的游戏界面可能是二维的，现在的游戏可以通过光栅化、光线追踪技术、三维建模与实时渲染高精度还原一个真实3D世界，场景就像拍照一样自然。
虚拟人物：过去很长一段时间，游戏动画里的人物都是画师一笔笔画出来的。现在，通过关键帧与动作捕捉技术，我们能让人物的关节带动骨骼旋转，做出各种动作，在面部表情捕捉系统的操作下，能够组合模拟人类表情与情绪。甚至，我们还可以借助建模渲染、虚幻引擎复制一个现实世界的真人。比如根据中国女演员姜冰洁的形象，腾讯开发出的数字人Siren。
物理交互：在游戏刚刚3D化的时代，游戏里的箱子只是摆设，而后来已经能跟玩家进行花式交互。我们通过刚性模拟、粒子计算来模拟液体流动、布料、爆炸，同时游戏里的仿真技术已经开始影响真实世界，延伸到驾驶练习、科研试验、训练机器狗各个领域。
机器智能：随着深度学习技术的发展，我们的游戏中也出现了高智能的强化学习ai，成为人类玩家的队友甚至劲敌。这些游戏中的训练框架还应用到了空间站卫星观测中。卫星就像王者荣耀人机对战里的NPC一样自动决策，沟通配合。
在一代代游戏爱好者与研究员的协作下，我们的游戏不断迭代创新，涌现着越来越多的高级“技能”。
打怪升级也能学知识？
每周四12:00 腾讯视频
《青年理工工作者生活研究所》独家更新
对生活 提供确定性研究
在本周的短片里 你都认出了哪些游戏？
来评论区看看你是几级游戏爱好者吧～
↓关注尤里卡计划，解锁更多智识生活。
想与一群热爱纪录片的伙伴
一起交流吗？
欢迎添加纪同学微信 TXjilupian777