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文｜杜晨    編輯｜Vicky Xiao   圖片來源 | Intel Labs 論文、視頻截圖

最近有玩家做了這么一張梗圖：PS2平臺有三款《俠盜獵車手》（GTA），而 GTA5居然硬是扛起了三代 PlayStation 平臺……惡搞沒惡意，搞搞別生氣。這張梗圖能夠傳播，也是因為 GTA5 實在是電子游戲領域的常青樹：自從2013年在 PS3/Xbox360 平臺發(fā)布，包括單機和在線模式 DLC 的總銷量已經突破1.4億份……
這邊開發(fā)公司R星遲遲不發(fā)新作，那邊電腦游戲平臺的CPU/顯卡硬件和顯示技術已經更新了好幾代。因此，GTA5 美化 MOD 也成為了玩家熱衷的修改方向。從真實汽車模型，到更大范圍的地圖和視覺效果修改，多種多樣的 MOD 顯著增強了 GTA5 的生命力，讓這款已經快要10歲的游戲仍能令玩家感到新意。開發(fā) MOD 的大多是國外大神，因為涉及到違反用戶協議的灰色地帶，MOD 開發(fā)工作通常是個人非營利性質的。不過最近，我們非常詫異地發(fā)現：竟然英特爾也在“官方”開發(fā) GTA5 美化 MOD！
↑ 可能略微有點標題黨……實際情況是：英特爾實驗室耗時多年研發(fā)了 EPE (Enhancing Photorealisim Enhancement)，一項基于深度學習卷積神經網絡的合成圖像逼真性算法。它能夠逐幀優(yōu)化 GTA5 輸出的原始畫面，配合多種第三方街景數據庫，生成不同風格的擬真游戲畫面。最近英特爾實驗室 (Intel Labs) 發(fā)布了一篇論文，介紹了他們在深度學習圖像逼真度提升方面的最新進展。而他們的實驗過程，采用的就是 GTA5 的圖像。英特爾的研究員設計了一套多模塊的卷積神經網絡架構，對 GTA5 和第三方城市街景圖像庫的數據進行學習。玩家大神制作的 MOD,主要依靠事先調換圖形素材、更新渲染引擎、增加光追支持等；而英特爾的思路是：直接用未修改的游戲的原始視頻和數據輸出，輸入到深度學習系統里，實時演算出優(yōu)化后的圖像。論文作者 Vladlen Koltun 介紹這套系統的工作方式：它可以接入到游戲上，你可以把它理解為 GTA5 的圖像后處理系統。論文作者之一的 Koltun，是英特爾智慧系統部門的首席科學家。他在歐洲圖形學大會 Eurographics 2021 上透露，EPE 算法在英特爾實驗室費時兩年時間研發(fā)，效果此前從未在外部公開過?！埃‥PE）屬于那種需要長時間投入，幾個月內都不會產出結果，研究時長以年為單位的那種研究，”Koltun 表示，“在（圖像合成逼真性）的問題上，想要做出一點能拿得出手的結果并不難，找?guī)讖埿Ч玫恼掌诺秸撐睦锞屯炅?；但要發(fā)明一種真的能用的方案 (something that really, really works)，是非常艱難的?！?br />接下來讓我們深入了解一下，英特爾實驗室的這套 “GTA5 美化 MOD”的具體工作方式。
 老“游戲”，新“玩法”
GTA5 已經是一款快10年的老游戲了，但無論是在單機還是在線模式中，玩家總能發(fā)明出各種有趣或稀奇古怪的新玩法……同樣，畫面美化 MOD 也是一個伴隨 GTA5 存在了很多年的領域了，“民間”的技術方向也就那么幾種。而這次，英特爾實驗室用了新“玩法”，在畫面逼真性上實現了前所未有的突破。EPE 算法的訓練原理如下圖：簡單來說，EPE 整合了三個獨立的神經網絡，處理三種不同的數據源：GTA5 自帶渲染引擎輸出的 buffer 緩沖數據，游戲直出畫面，以及第三方街景數據庫的圖像。1）GTA5 游戲自帶的渲染引擎，能夠輸出一組名為 G-buffer 的數據，其中包括畫面中物體的種類、和玩家視角攝像頭之間的距離、表面材質、光滑程度、反照率、光照數據等等。這些數據，輸入到一套卷積神經網絡數據流當中，提取出各類數據的遮罩圖，用于訓練神經網絡；然后經過一系列專門設計的殘差模塊，輸出不同規(guī)模的張量特征數據。2）借助前一步的訓練結果，訓練一個圖像增強神經網絡，然后把游戲直出畫面，輸入這個神經網絡里，得到增強后的圖像：3）真正的圖像翻譯工作發(fā)生在這一步：游戲直出畫面、增強圖像，和第三方街景數據庫的相似圖像，一起輸入到一個感知辨別器（神經網絡），經過一系列計算，生成感知特征圖、標簽圖，以及相關的插值等數據，最終“翻譯”合成為一張圖。這一部分也采用了對抗模型的設計，經過持續(xù)的訓練，最終輸出的圖片能夠準確還原游戲直出畫面當中的物體構成，并且完美轉移外部數據庫圖像的風格。比如，下圖為英特爾實驗室用 GTA5 和 Cityscapes 數據庫結合生成的畫面風格。由于 Cityscapes 的圖像數據大多來自于德國，具有獨特的畫面風格，所以你可以看出來，“美化”出來的結果似乎偏綠，有些陰冷；并且，由于德國植被更加茂盛，你可以看到 GTA5 里圣安地列斯（原型為洛杉磯）光禿、干燥、偏黃的山丘，渲染出了濃密的綠色植被。如果你對 EPE 的工作原理感興趣，可以看這個解說視頻：技術創(chuàng)新
根據硅星人的理解，這篇論文提出的圖像翻譯方法有幾個創(chuàng)新之處。正如前述，傳統的 GTA5 美化 MOD 的實現思路，都需要對游戲文件進行重度修改，有可能造成文件損壞，而且很難在多人在線模式下使用，以及也涉及違反游戲使用協議的灰色地帶。
而 EPE 的思路不同之處，在于它直接在游戲輸出畫面的基礎上進行美化，不涉及游戲文件修改，也就不違反使用協議。（當然前面也提到，在訓練過程中它確實也需要”監(jiān)聽“游戲系統運行時渲染引擎輸出的數據。
當然，EPE 也不是第一個采用深度學習思路進行 GTA5 畫面優(yōu)化的技術。在此之前，UC Berkeley 和 Adobe 研究院共同開發(fā)的 CUT (Contrastive Unpaired Translation) ，以及南洋理工大學、UCB、商湯共同開發(fā)的 TSIT (Two-Stream Image-to-image Translation) ——這兩個算法都是此前世界領先的圖像翻譯算法。但至少在 GTA5 上，這兩個算法都存在嚴重的圖像失真情況。比如，CUT 在渲染尺寸較小、和周遭環(huán)境相對獨立的物體（比如樹木、告示牌、行人等）時會出現重影，而且時序穩(wěn)定性不佳；而 TSIT 算法渲染的結果，會在畫面上部的天空區(qū)域中出現嚴重失真，增加一些不存在的植被，英特爾實驗室的科學家認為，這些算法失真的情況，可能是由訓練時采用的第三方數據庫所導致的。比如攝像頭的角度太低導致遠景中的樹木占滿屏幕上部。如下圖所示，在 Cityscapes 數據庫的很多照片里，植被的區(qū)域很大，而通常 GTA5 畫面中的植被很小。 甚至在 Cityscapes 數據庫中，由于數據采集車上有一個奔馳車標，其它算法在渲染的時候也會誤以為這個車標也是道路特征的一部分：在訓練 EPE 的時候，英特爾的團隊故意縮小了神經網絡的視野范圍，讓它可以聚焦于畫面中特定的物體。EPE 在 GTA5 圖像逐幀美化的真實度、時序穩(wěn)定性等方面達到了目前最先進的水平，顯著優(yōu)于 CUT、TSIT 等基于深度學習的圖像到圖像翻譯算法：因為算法的設計，它還有一點“即插即用”的感覺，可以接入各種各樣的外部數據庫，實現不同風格的美化結果。比如 Mapillary Vistas，是一個來自全世界各地的街景圖像數據庫，風格更加多樣，色彩更鮮明。這種風格也可以通過 EPE 算法翻譯到 GTA5 的畫面里，效果更加接印象中圣安地列斯的樣子：下圖左邊為游戲直出畫面，右邊為采用 Mapillary Vistas 作為目標風格的美化結果，可以看出畫面色彩飽和度有很大提升；為了降低游戲渲染壓力而在遠景加入的迷霧，也得到了優(yōu)化。
網友評價：什么？這居然不是真的？
5月11日，英特爾實驗室把 EPE 的介紹視頻發(fā)到了 YouTube上。只用了半個月，這個視頻的觀看量已經超過了270萬……大部分網友評價都是從非專業(yè)角度出發(fā)的，但都對團隊演示的渲染結果表示震驚……網友 Fat Tabby 留言：如果你給我看這個視頻并且跟我說是行車記錄儀拍出來的，我應該會相信你。網友 G Luong 表示：這才是真正的圖像擬真。其它所有的畫面美化 MOD 其實只是增加反射，并且讓每一條路都變得很潮濕而已。
也有好幾位眼尖的玩家發(fā)現，如果按照 Cityscapes 的風格進行美化，出來的畫面風格其實倒是跟 GTA4（設定在 Liberty City，以紐約為原型，風格較為陰暗）。網友 OK DOK 表示，怪不得當初 GTA4 出來的時候，人們都驚訝于一款游戲居然能如此”真實“。網友 Cosine 說的很對：沒有那么炫酷的反射，沒有過飽和的顏色和超高的亮度，才是最”真實“的游戲。說來有趣，英特爾跟 GTA5 已經是老朋友了——當然，指的不是游戲，而是研究層面。早在2016年，英特爾實驗室和德國達姆施塔特工業(yè)大學就在嘗試用 GTA5 做自動駕駛方面的研究。當時自動駕駛已經成為新的技術趨勢，但出于現實成本等因素，不是所有人都能獲得大量真實道路的視覺數據用于研究。所以英特爾和該大學組建了團隊，試圖從 GTA5 等游戲中提取接近于真實道路情況的數據，幫助自動駕駛技術訓練。他們當時還發(fā)布了一篇論文 Playing for Data: Ground Truth from Computer Games——當年的那個團隊里，就有今天這篇 EPE 論文里的 Vladlen Koltun。所以今天我們可以說，這位英特爾智能系統部門的首席科學家，也是 GTA5 美化 MOD 領域的大神了！
你們說，Koltun 會不會也跟大家一樣，焦急等待著R星發(fā)布 GTA6 呢？當然，如果 GTA6 也能用上類似的深度學習圖像擬真技術的話，硅星人還是愿意再等一等的……——轉念一想，你們覺得 GTA6 還不發(fā)布，會不會真的是因為R星用了某種超級前沿的技術，目前的主機性能——即使是 PS5——都還無法實現？