V 社引擎现在分为三大版本，GoldSource（金源），Source（起源）和 Source 2（起源 2）。它们三个的隔代差距很大。

其实三者代表着三个实时渲染的时代，那么具体是怎么回事呢？

我们总结一下三款引擎渲染层的特性：

金源

· 最基本的纹理映射（Texture Mapping），该技术让二维纹理映射到三维空间内，俗称贴图技术。

· 低级光照模型（环境光 + 漫反射），给予最基本的漫反射光照效果。

· 辐射度算法烘焙的光照贴图。

起源

· 辐射度算法烘焙的光照贴图。

· 高级光照模型（环境光 + 漫反射 + 冯氏 Phong 高光），依托起源的新着色器系统来实现。

· 基于着色器的渲染系统

这个是值得注意的，不知道你发现没有，半条命 2 的宣传语有一段这样的话：

“Source 基于着色器的渲染器与 Pixar 公司制作《玩具总动员》、《怪物公司》等电影时使用的一样，创造出了异常绚丽和真实的场景，在视频游戏中前无古人。”

其实这个说法并不严谨，但也不算错。现代实时渲染着色器的概念是微软搞出 Shader Model 后正式引进，然而计算机图形学界将渲染管线上的任何一个部件都定义为了 “着色器”。

也就是从绝对严谨的角度来讲，金源也包含着自己的一套着色器系统，但是和我们实际使用和叫法的习惯不一样。玩家们一般讨论的着色器是决定 材质（Material）表现 的一种程序，很少具体涉及到什么顶点像素几何计算着色器。包括接下来谈到的也是。

举个更形象的例子，这就像英伟达把自己奉为 GPU（图形处理器）的发明者，然而这种说法是偏向于商业话术，我们都知道 SGI 比英伟达更早实现 GPU 技术上的功能，但英伟达的说法也不算错，因为自己率先在商业上用 “GPU” 来宣传自己。

回到正题，这个基于着色器的渲染器是什么到底是什么玩意？

这里，我放出 2005 年 PS3 主机发布会，黄仁勋的一张演讲 PPT：

这里出现了 Texture Mapping（纹理映射，刚刚讲金源所提到的）和 Shaders（着色器），显然，纹理映射的计算速度非常快，在 PS2 级别主机上就能流畅运行，那个世代对应着金源引擎。但是问题来了：我的材质如何表现得更真实？如果是人的皮肤材质，如何体现出它的高光反射效果？

这就需要着色器了。我们来对比一下纹理映射（金源）和着色器系统（起源）的流程：

显然着色器系统包含了纹理映射的同时，还有一条着色器指令执行计算的管线。在材质输入上，除了纹理，还有法线等。

在着色器中，法线是极其重要的，知道了法线是什么样就等于知道了光照是什么样的，因为多数着色方程都包含  这个式子，也就是 法线 点乘 光源，可以决定光照的明暗。例如起源引擎所使用的 Half-Lambert 漫反射方程，用来求解着色树的 Diffuse 项:

其中：

 ：出射光照。

 ：入射光照。

 ：余弦项。V 社把它的值域限制到了  而不是传统余弦波瓣的  ，这意味着起源引擎的光照过渡会比较平缓。

这里放出半条命 2 的着色树结构：

上图，起源引擎通过基于着色器的渲染系统为 Alyx 实现了更加真实的光照效果。

2001 年，英伟达推出首款可编程着色器的 GPU，配合微软的 DirectX 8，着色器的灵活性大幅上涨，在那之后，游戏画质开始出现快速增长的趋势。

至于宣传所使用到的《玩具总动员》等等话术，其实硬要挑刺能挑出来很多，甚至能直接说它是错的，因为本身离线渲染（电影）和实时渲染（游戏）就完全不是一个级别的东西。

不过对普通玩家来说，这说的确实没错，起源相对于金源确实是从传统的纹理映射跳到“影视级”的着色器时代了。

但同时，基于着色器的渲染系统对显卡性能的要求上升了很多。然而对于 HL2 来说，一开始甚至提供了 DirectX 7 的支持，使得 GeForce 256, GeForce4 MX440  这类不可编程着色的 GPU 能正常运行，随之而来的也就是画面打折扣了，例如水面直接成为了一张普通的动态纹理，显然使用了经简化的着色器系统。可以说起源引擎本身还是比较 scalable 的。

上面就是关于起源引擎的东西了。起源引擎基于着色器的渲染代表着可编程着色的新时代，直到今天，我们也仍然受益。接下来，我们就要进入现代了。

起源 2

· 可编程性更高的基于着色器的渲染系统。

· 光线追踪烘焙的光照贴图。相比于前两代的辐射度算法，光线追踪能带来更加高频的细节，烘焙光照更加精细。

· 基于物理渲染的光照（Physically-Based Rendering, PBR）

PBR 大家应该都不陌生了，作为现代游戏引擎的标配技术之一，这里不过多展开。

简而言之，PBR 让材质有了真实的质感，而不仅仅停留于有更加真实的光照效果。PBR 的基础是双向反射分布函数（BRDF），这里也不展开，感兴趣的可以看我写的 s&box 开发 wiki： S&box 的着色器 - S&boxWIKI_BWIKI_哔哩哔哩 (biligame.com)

这里给出两张起源 1 和起源 2 的对比图，可以直观地看出起源 1 传统的光照和起源 2 基于物理渲染的光照有什么区别：

可以看出，地板和墙壁更有质感了。这样的质感是怎么实现的呢？答案就藏在 PBR 的双向反射分布函数里，它可以决定材质表面法线的分布，以此来做出不同的材质光照的质感。（诶又是法线看到没有，法线很重要的）

起源 2 使用了基于现实中总结物理实验得出的 GGX 反射分布（它在 1975 年就已经被提出，不是 V 社搞的），GGX 使得起源 2 的高光质感表现得非常优异。更详细的资料参见这篇论文：S. Trowbridge and K. P. Reitz, "Average irregularity representation of a rough ray reflection". Journal of the Optical Society of America, 65(5):531–536, May 1975.

起源 2 就相当于代表着现在 PBR 渲染的时代，随着时间的推移，硬件性能不断地呈爆发式增长，游戏画面渲染也开始逐步转向基于物理的，符合真实的复杂数学算法，而不是经验性的，绝对理想化的简单算法了。

说了这么多，也差不多该到尾声了。

开头我提到，三者代表着三个实时渲染的时代，具体就是金源的贴图时代，起源的着色器时代以及起源 2 的基于物理渲染时代了。这三个时代都诞生了非常经典的优秀作品，也见证了游戏技术的发展和成熟。

下一个时代具体会是什么样的，谁也不知道。

我们的终极目标是实现完全物理的实时渲染，也就是所有场景的光照，反射，阴影等等都是实时地通过物理正确的方程来计算。

然而这是一种极大的算力开销（从 Portal RTX 就能看出来，然而这玩意也是被砍成残废了的，和离线渲染器的超高采样没法比），目前我们能做的只有处处妥协。

但是，说不定哪天加速算法上又有突破了呢？或者是直接不用几何光学用波动光学体系了呢？如果只要效果，那咱们耍个流氓，说不定哪天生成式 AI 做光照被广泛应用了呢？

谁也说不准。

“坏消息是，我们还有很长一段路要走......

......好消息是，我们还有很长一段路能走。”

—— 选自计算机图形学圣经《Fundamentals of Computer Graphics》