8月16日TGDC Final-技術(shù)專場上，來自Imagination圖形技術(shù)美工專家Alekos Caporali：進(jìn)行了題為《移動(dòng)游戲中如何實(shí)現(xiàn)光線追蹤》的分享。這項(xiàng)技術(shù)基于Imagination的PowerVR Photon光線追蹤架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在智能手機(jī)等低功耗嵌入式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高性能、桌面級質(zhì)量的光線追蹤效果。根據(jù)演示，這套光線追蹤技術(shù)在陰影、反射、全局光照等方面都能實(shí)現(xiàn)良好的視覺優(yōu)化效果。

光線追蹤技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用：極大提升3D場景的擬真度據(jù)介紹，Imagination PowerVR GPU有30年的歷史，首創(chuàng)了TBDR、基于優(yōu)先級的渲染、虛擬化和光線追蹤等圖形技術(shù)，為移動(dòng)端，臺式機(jī)，汽車和許多其他應(yīng)用市場提供全球領(lǐng)先的IP核。目前總共有3000多項(xiàng)專利和申請，是全球擁有基本GPU專利的少數(shù)公司之一。從2007年起，公司就開始研究硬件光線追蹤技術(shù)，并開發(fā)了光線追蹤0-5級的分級系統(tǒng)，此次TDGC上Imagination展示的解決方案屬于4級，以BVH處理和相干性排序?yàn)榧夹g(shù)亮點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更加柔和陰影、根據(jù)不同材質(zhì)呈現(xiàn)逼真的反射效果，以及實(shí)時(shí)全局光照的功能。接下來Imagination計(jì)劃向第5級發(fā)展，在硬件中使用場景層次生成器進(jìn)行相干 BVH 處理。

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)渲染方式是在光柵化（rasterization）基礎(chǔ)上配合光照貼圖（lightmap）等技術(shù)，本質(zhì)上還是通過各種貼圖方式來模擬光影效果，可以使游戲畫面達(dá)到較高質(zhì)量的視覺效果，但同時(shí)也由于貼圖難以模擬漫反射、實(shí)時(shí)光影效果等，在進(jìn)一步提升擬真度上存在瓶頸，此類屬于第一級光追。硬件實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)則有望突破游戲畫質(zhì)提升的瓶頸。通過對游戲內(nèi)光線的模擬，實(shí)現(xiàn)場景中物體表面反射、柔和陰影、環(huán)境光遮蔽、全局光照等效果，硬件光線追蹤能夠?qū)崟r(shí)生成光影效果，使游戲畫質(zhì)的擬真度得到實(shí)質(zhì)性的提升。

作為一項(xiàng)提供擬真視覺效果、同時(shí)又有著較高性能需求的技術(shù)，光線追蹤現(xiàn)階段主要被原生畫質(zhì)已經(jīng)達(dá)到較高水準(zhǔn)的大型游戲采用，作為進(jìn)一步提升游戲體驗(yàn)的一種嘗試。以3A游戲?yàn)橹?，也包含部分?dú)立游戲。如《賽博朋克2077》《堡壘之夜》《戰(zhàn)地5》《使命召喚：黑色行動(dòng)》《使命召喚：現(xiàn)代戰(zhàn)爭》《孤島驚魂6》《暗影火炬城》等。此外，本土游戲《逆水寒》《劍網(wǎng)3RTX網(wǎng)絡(luò)版》《天涯明月刀》等也支持光線追蹤。此外，基于提升3D場景擬真度的能力，除了游戲領(lǐng)域，光線追蹤相關(guān)技術(shù)目前也已應(yīng)用或?qū)U(kuò)展到如汽車人機(jī)界面、零售、Metaverse/VR/AR、醫(yī)學(xué)成像、音頻/流體建模等領(lǐng)域。

移動(dòng)端光線追蹤的技術(shù)方向

不過整體來看，目前由于現(xiàn)有硬件性能等方面的限制，業(yè)界大多使用的是光柵化+光線追蹤的混合渲染管線，光線追蹤還沒有完全替代光柵化，尚有很大的硬件和技術(shù)提升空間。應(yīng)用的前瞻性和市場相對初期，也讓光線追蹤成為現(xiàn)階段很多廠商投入研究的方向。由于計(jì)算的復(fù)雜性，光線追蹤此前主要在端游、主機(jī)游戲等桌面端應(yīng)用，NVIDIA、AMD等傳統(tǒng)GPU大廠針對專業(yè)開發(fā)者和消費(fèi)級市場都已有所布局。而隨著手機(jī)游戲玩家對游戲品質(zhì)和視覺表現(xiàn)要求的提升，下一代手游在畫質(zhì)表現(xiàn)上也將傾向與端游看齊，對光線追蹤等圖形技術(shù)的移動(dòng)端應(yīng)用提出更高的要求?，F(xiàn)階段，硬件和技術(shù)廠商正在從不同角度切入移動(dòng)端光線追蹤領(lǐng)域。如在設(shè)備端，華為、聯(lián)發(fā)科都在去年展示了各自的移動(dòng)光線追蹤解決方案；三星在今年1月發(fā)布了據(jù)稱是“首個(gè)在移動(dòng)設(shè)備上支持硬件加速光線追蹤的旗艦處理器”的Exynos 2200；OPPO則在今年3月推出光追3D動(dòng)態(tài)可交互壁紙，稱之為“首次在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)光線追蹤解決方案”。以上廠商所提供的解決方案，絕大部分是基于GPU shader的純軟件實(shí)現(xiàn)，三星的Exynos 2200（基于AMD RDNA2 mobile）包含了較為初級的光追硬件，相較于Imagination的4級光追硬件實(shí)現(xiàn)，在性能和能效上均存在較大差距。”由于移動(dòng)設(shè)備往往受限于面積和功耗預(yù)算，因此移動(dòng)端光線追蹤解決方案的重點(diǎn)在于降低功耗，提高效率。針對此需求，Imagination提出了基于相干性排序（coherency sorting）提高效率的方案：一個(gè)表面上反彈角度一致的光線會(huì)被排在一起，即相干性排序，這種技術(shù)以智能方式優(yōu)化整個(gè)光線分選過程，從而減少硬件運(yùn)行壓力，更適合移動(dòng)端。David Harold告訴東西游戲，相比于其他光線追蹤解決方案在軟件中完成這一關(guān)鍵步驟，Photon架構(gòu)在硬件上完成光線追蹤和排序，因而會(huì)更快、更高效。

東西游戲與Imagination的QA節(jié)選

QImagination的移動(dòng)端光線追蹤解決方案的技術(shù)路線是什么？

Imagination：目前我們推出的IMG CXT GPU引入了PowerVR Photon架構(gòu)，為桌面、數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)設(shè)備帶來了高性能、桌面級質(zhì)量的光線追蹤視覺效果。由CXT驅(qū)動(dòng)的設(shè)備可提供高達(dá)1.3GRay/s的性能，為用戶帶來光線追蹤陰影、反射、全局照明和環(huán)境遮擋等功能，并實(shí)現(xiàn)高幀率。

Imagination的Photon光線追蹤架構(gòu)是數(shù)十年發(fā)展的結(jié)果，使光線追蹤在智能手機(jī)等低功耗嵌入式設(shè)備中不僅可行，而且快速。由于光線追蹤的性能和效率水平各不相同，我們建立了光線追蹤等級系統(tǒng)（RTLS），范圍從0級到5級。Q在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)光線追蹤，和在其他設(shè)備上實(shí)現(xiàn)光線追蹤相比，有哪些難點(diǎn)？Imagination是如何去解決這些難點(diǎn)的？

Imagination：移動(dòng)設(shè)備總是會(huì)受限于面積和功耗預(yù)算，所以我們需要一個(gè)具有高效架構(gòu)的解決方案，以降低功耗。Photon實(shí)現(xiàn)了光線追蹤硬件加速，與目前市場上的任何其他硬件光線追蹤加速相比，它是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗挠布饩€追蹤和排序，對軟件來說是透明的，確保硬件上并行追蹤的發(fā)射光線具有潛在的相似性，我們把這稱為相干性聚集。業(yè)界的其他光線追蹤解決方案在軟件中完成這一關(guān)鍵步驟，這不可避免地會(huì)更慢、更低效。

另一個(gè)要求是可擴(kuò)展性，所以我們有一個(gè)非常高效的單例RT核，而且可以線性地?cái)U(kuò)展。IMG CXT-48-1536 RT3 內(nèi)核具有三個(gè) Ray Acceleration Cluster （RAC） 實(shí)例，性能高達(dá) 1.3GRay/s 。Q針對移動(dòng)端光線追蹤解決方案，Imagination的差異性體現(xiàn)在哪里？

Imagination：我們之所以是硬件光線追蹤技術(shù)的首選，是因?yàn)槲覀円呀?jīng)花了很長一段時(shí)間來努力解決這個(gè)問題了。相比之下，其他行業(yè)競爭對手還停留在初步級階段。而現(xiàn)在光線追蹤已經(jīng)成為當(dāng)今使用的主要圖形API之一的重要方面。

我們的相干性聚集與如今對于光線追蹤過程的認(rèn)知相符，如果光線啟動(dòng)生成新的光線，堆棧就會(huì)被解開，這又可能啟動(dòng)生成新的光線，等等如此往復(fù)。我們在每個(gè)調(diào)度步驟收集光線的相干性，確保我們盡可能地接近硬件可能光線流以便高效處理。

在現(xiàn)代硬件光線追蹤器中，最需要測量的也是這種光線流，此種光線流的工作效率是非常重要的指標(biāo)。峰值并行三角形測試或者簡單光線條數(shù)是描述射線追蹤硬件性能的簡單方式，但它們并不十分有用。畢竟，開發(fā)者想要的并不只是關(guān)心一個(gè)高峰值并行測試峰值或者不產(chǎn)生后續(xù)的迭代計(jì)算的被遮擋光線。

我們的目標(biāo)是在整個(gè)加速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可用的full-fat ray flow，這樣開發(fā)者就可以利用光線預(yù)算做一些有用的事情。我們的相干性聚集系統(tǒng)使我們能夠提供這樣的服務(wù)，讓其與目前市場上的任何其他系統(tǒng)相比都是獨(dú)一無二的，而這些其他的系統(tǒng)都缺乏足夠的功能或架構(gòu)效率，或兩者都缺乏。

目前，Ray tracing在游戲機(jī)和PC上還是比較新的。對于移動(dòng)開發(fā)者來說，總是需要一些時(shí)間來跟進(jìn)，而移動(dòng)硬件的生產(chǎn)也需要時(shí)間。Imagination已經(jīng)在Ray Tracing解決方案上深耕了十多年，并且在最近的幾年里我們才開始授權(quán)。