Imagination將光線追蹤技術(shù)率先引入移動SoC

作者：Imagination Technologies內(nèi)容經(jīng)理Benny Har-Even

從今年8月底科隆游戲展開始，光線追蹤技術(shù)(ray tracing)再次成為了行業(yè)的焦點，國內(nèi)諸多科技媒體、尤其是游戲行業(yè)媒體對此進行了大量報道，主要原因是英偉達(NVIDA)推出的面向PC游戲市場的顯卡已經(jīng)支持這種開創(chuàng)性的圖形技術(shù)了。

然而，Imagination是第一家將光線追蹤技術(shù)變成現(xiàn)實的廠商，我們方法的與眾不同之處在于：從頭開始設(shè)計，采用嚴格標準在嵌入式硬件平臺實現(xiàn)部署。換句話說，Imagination所做的正是我們所擅長的：讓前沿技術(shù)更加的高效，而且讓更多的人將來在移動平臺上享受該技術(shù)的美妙。

當然，現(xiàn)在還為時尚早，甚至面向PC市場的GPU巨頭也還沒有發(fā)布相關(guān)的游戲，這也證明了圍繞一項新技術(shù)創(chuàng)建生態(tài)系統(tǒng)的難度。一旦這些實現(xiàn)，消費者就會看到真正的效果，并且希望他們所有的設(shè)備中都能看到這種光線追蹤技術(shù)。

從底層創(chuàng)新到IP授權(quán)

任何一篇關(guān)于光線追蹤技術(shù)的文章里幾乎都可以看到“圣杯”這樣的字眼，它像是一直追求的東西但是似乎總是遙不可及。然而，我們第一次談到光線追蹤IP是在2012年，然后是2014年我們推出了支持光線追蹤技術(shù)GPU系列，這一系列GPU集成了專門用于光線追蹤加速的模塊。這主要是為了用于移動硬件平臺，但是為了演示和開發(fā)的方便性，我們將芯片集成在一塊PCIe評估板卡上，并在2016年進行了運行測試。

現(xiàn)在PowerVR光線追蹤技術(shù)可以通過授權(quán)使用，能夠支持獨立的光線追蹤處理器或混合的光線追蹤/光柵化器件。

那么，怎樣實現(xiàn)光線追蹤呢?

讓我們快速回顧一下為什么光線追蹤技術(shù)被認為是一件大事，如果你看過任何的3D圖形場景就會發(fā)現(xiàn)場景的真實水平高度依賴光照。在被稱為光柵化的傳統(tǒng)圖形渲染技術(shù)中，光照和陰影都是提前計算的，然后應(yīng)用到場景中進行模擬。然而這種方法充其量也是很拙劣的場景模擬。

光線追蹤是完全不同的，它真實模擬了現(xiàn)實世界中光的效果。在現(xiàn)實生活中，光源(比如太陽)發(fā)出的虛擬光束會不斷進行傳播或者房間內(nèi)的一束光線照射到不同的物體上，光線會與物體相互作用，根據(jù)物體的表面性質(zhì)發(fā)射到另一個表面，這樣光線會不斷的進行跳躍，從而產(chǎn)生光影。

計算機中的光線追蹤或者更精確的路徑追蹤過程與真實世界中的光線傳播方式是相反的。光線實際上是從相機的某個視角照射到場景內(nèi)的物體上，然后算法會計算光線如何與物體表面的相互作用，追蹤從每個物體上返回光源的光線，這樣的結(jié)果是場景內(nèi)像是被現(xiàn)實世界中的太陽照亮一樣：有真實反射和陰影效果。

傳統(tǒng)上計算機不可能做到這一點兒，因為計算負載太高了，因此會采用光柵化的方法進行“作弊”。

當然，雖然我們還沒有將其應(yīng)用到游戲中，但是我們已經(jīng)很熟悉光線追蹤的效果。你將會在每一部3D動畫電影中看到這樣的效果，有好看的人物和真實的場景。然而這些場景需要在專門的服務(wù)器集群上經(jīng)過幾個月時間的渲染才能完成，這對于游戲來說并不適合，游戲必須實現(xiàn)以每秒至少30幀的速度實時生成場景。

正如前面所討論的那樣，這在以前是不可能的，因為要涉及到巨大的計算成本，但是Imagination采用一種混合的方式改變了游戲面臨的難題，它結(jié)合了光柵化的速度和光線追蹤的視覺精度兩方面的優(yōu)點。

一個具有真實陰影的光線追蹤機器人

使光線追蹤生效

如果你想了解我們是如何做到這一點的：將陰影、反射和折射集成到傳統(tǒng)的光柵化游戲引擎中，那就點擊下面這個鏈接的閱讀文章吧，在我們的博客文章《實時光照的混合渲染：光線追蹤vs光柵化》中，我們詳細討論了這種技術(shù)的區(qū)別。

當然如果沒有API支持新的硬件和技術(shù)可以說什么都不是，為此Imagination創(chuàng)建了OpenRL作為光線追蹤的API，后續(xù)我們增加了OpenGL ES光線追蹤擴展以及面向Vulkan的API。

混合光線追蹤技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在微軟DirectX12中實現(xiàn)，這為全新的臺式PC機顯卡鋪平了道路。

高效vs蠻力

當然，一個關(guān)鍵的區(qū)別之處在于，雖然英偉達(NVIDIA)RTX卡在游戲狀態(tài)下的功耗測量為225W，但是我們的解決方案是專門為移動平臺而設(shè)計的，我們芯片的運行功率只有2W，這款Demo板卡的功率也只有10W左右。而且我們采用的還是比較老的28nm工藝技術(shù)，這個Demo展示了我們的解決方案是如何在低功率情況下正常運行的，巔峰速率可達到300MRay/sec，這參考了英偉達(NVIDIA)新版顯卡的功率。

我們相信未來發(fā)熱和功耗這兩方面對于光線追蹤設(shè)備來說是至關(guān)重要的，支持光線追蹤技術(shù)需要專用固定功能的硬件平臺，而且要比傳統(tǒng)光柵化或通用計算硬件平臺要高效的多，我們的方法具備帶寬高效和高質(zhì)量兩方面的優(yōu)勢，這種獨特的高效方式無疑是雙贏的。

雖然AR和VR還沒有成為主流，但是仍然有很多人相信它們會成為焦點。當涉及到VR時要保證各方面順滑，需要采用可變采樣率和凹形渲染等技術(shù)，而這些技術(shù)在我們的混合光線追蹤方案中也更加的容易實現(xiàn)。

光線追蹤將有助于提升VR場景的真實感

將移動光線追蹤帶到主流

為了推動其成為主流，我們必須創(chuàng)造一種支持無線且輕量級的設(shè)備，給用戶使用時帶來愉快的體驗。以麻省理工學(xué)院(MIT)的一位記者為例，他通過VR頭盔參加了Facebook的Oculus會議。整個過程都是無線的，但是最后他對這臺設(shè)備糟糕的電池續(xù)航時間感到失望，因此我們對功率效率的關(guān)注是關(guān)鍵。

在移動設(shè)備上安裝支持光線追蹤技術(shù)的游戲會怎樣?就我個人而言，我比較偏愛CSR2這款游戲，它是一款簡單的賽車競速游戲，最大的吸引力在于賽車的外觀非常的真實，閃亮的表面會反光，這很大程度上要歸功于物理層的渲染(我們在2016年討論過移植到PowerVR硬件平臺上運行的效果)，但是如果在真正的光線追蹤反射效果下，這些賽車看起來將多么不可思議呢?

CSR2讓你感覺像在真實世界用一輛虛擬汽車，當然這顯然是不真實的——缺少光線追蹤效果讓這款游戲顯得有些瑕疵!

CSR2還涉及到AR：讓你能夠使用攝像機將虛擬汽車放在現(xiàn)實世界中，可以是在房間內(nèi)的小桌子上或者寬闊的戶外。當我把一輛巡洋艦放在我自己的花園里并將截圖展示給我的同事看，我能明顯的觀察到他們被糊弄了一秒鐘然后才意識到那不是真的，最重要的是光照效果暴露了。現(xiàn)在想象一下，如果你的智能手機能夠分析相機畫面中的光線，并且在渲染虛擬物體時考慮到這一點，那么增強現(xiàn)實的效果將會提升一個層次。

同樣這也會對汽車行業(yè)產(chǎn)生一定的影響，正如我們已經(jīng)討論過的，現(xiàn)在很多汽車的顯示屏都會顯示環(huán)繞攝像頭采集的圖像，使用光線追蹤技術(shù)，燈光條件就會被考慮在內(nèi)，使得汽車儀表盤的畫面看起來更加的真實，而且也更加容易判斷障礙物。

準備好采用光線追蹤IP

我們很高興的是光線追蹤又回到了議程上，雖然光線追蹤技術(shù)一直在蓬勃發(fā)展，一旦用戶在電腦上看到了它的效果，用戶就會非常的喜歡，而且確實期待它出現(xiàn)在移動平臺、VR頭戴和游戲機上。

我們擁有多年的光線追蹤技術(shù)開發(fā)經(jīng)驗，并隨時準備與相關(guān)各方進行討論將我們的IP以怎樣的方式將光線追蹤技術(shù)引入到功率有限的設(shè)備上，比如智能手機、VR/AR、游戲機和汽車市場等。

如果你想以一種節(jié)能和低成本的方式構(gòu)建下一代圖形硬件，那么你需要和功效方面的專家好好溝通一下，通過合作我們不僅要最終摘得圖形技術(shù)的“圣杯”，而且要將其交付給廣大的用戶，提供更加真實的用戶體驗，將3D圖形技術(shù)推動到更高的階段。