今年，Imagination技術(shù)團隊參加了在舊金山舉辦的游戲開發(fā)者大會（GDC），期間展示了與亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）合作創(chuàng)建的光線追蹤demo。

在本文中，我們將重點介紹開創(chuàng)性的移動光線追蹤的實現(xiàn)，這是與亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）合作完成。亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）是開源實時3D引擎（O3DE）的主要創(chuàng)建者，該引擎可支持使用光線追蹤實現(xiàn)實時動態(tài)計算全局照明。

光線追蹤的強大功能

光線追蹤是一項強大的技術(shù)，允許開發(fā)人員通過計算光線在3D 引擎渲染器內(nèi)的反彈情況來增強游戲動畫，或任何實時計算生成的圖像。挑戰(zhàn)在于它是計算密集型的，這就是為什么 Imagination 的IMG CXTGPU IP中的 PowerVR Photon 架構(gòu)在幫助實現(xiàn)使此類實時計算所需的功率和帶寬效率方面如此關(guān)鍵。IMG CXT 代表了五級光線追蹤級別系統(tǒng)的第一個4 級解決方案。

光線追蹤級別系統(tǒng)

光線追蹤模擬了光線在現(xiàn)實世界中的工作方式，光子從光源發(fā)出并在場景中反彈，直到到達觀察者的眼睛。光線追蹤可以在3D 渲染中以多種方式使用，以生成燈光和陰影，使 3D 場景看起來更逼真。雖然游戲中的光線追蹤通常用于創(chuàng)建逼真的反射，但如果它用于全局照明 (GI)，它可以真正模擬3D 場景在現(xiàn)實世界中的表現(xiàn)。

基于另一種（基于探針的）計算和使用場景內(nèi)的二次光反彈方法，全局照明告訴渲染器場景環(huán)境的哪些部分更暗、更亮，以及燈光如何在附近對象之間擴散（強度和顏色）。為了更好地了解反射和GI 的視覺影響，請查看我們?yōu)閱?IMG CXT GPU 而創(chuàng)建的光線追蹤演示，它們帶來的差異非常明顯。它演示了GI 如何比僅使用反射更有效地創(chuàng)建真實感。

我們于 2021 年 7 月開始著手 O3DE演示，在 O3DECon大會（開源3D基金會的官方大會）展示結(jié)束后，我們與開發(fā)人員取得了聯(lián)系。O3DE 是 AmazonLumberyard 的演進，捐贈給 了Linux 基金會，并由合作伙伴委員會和公眾組成的委員會開發(fā)和維護。我們花了第一個月的時間從長遠角度評估引擎的性能，找出它可以為我們的演示團隊提供哪些可能性。

我們發(fā)現(xiàn)該引擎可以使用光線追蹤來實時動態(tài)計算GI，因此我們決定將其用作即將到來的演示的主要功能。從那里開始，與 AWS 開發(fā)人員的展開了緊密合作，我們互相幫助；我們測試了引擎，并向開發(fā)人員提供了持續(xù)的反饋，基于這些反饋，他們實現(xiàn)了一些缺失的功能。

結(jié)果是我們稱之為“Buon(GI)orno”的圖形演示。

GI 如何對實時變化做出反應(yīng)的演示

由于引擎處于早期階段，該項目確實給我們的藝術(shù)家和圖形工程師帶來了一些挑戰(zhàn)。然而，通過時間和耐心（以及遠見），我們設(shè)法同步，然后將我們的努力集中到現(xiàn)在非常易于使用的AAA 引擎中。

事不宜遲，這里是“BuonGIorno”圖形演示。這是一個意大利式小村莊的風(fēng)格化表示，并展示了使用光線追蹤后全局照明如何實時工作。

第 0 節(jié) – Buongiorno！該視頻是我們在 GDC 上展示的演示的更新版本，下面我們將解釋屏幕上發(fā)生的事情（可參照以下時間節(jié)點查看）：– 0:00 到 0:15 ：簡介。– 0:16 到 0:28 ：基本功能描述。– 0:29 到 0:51 ：顏色擴散和光遮擋。– 0:52 到 1 : 05：RTGI 對整個場景的影響（開/關(guān)）。– 1:06 到 1 :28 ：當(dāng)場景中的材質(zhì)和光照條件發(fā)生變化時，由于光線追蹤，引擎實時動態(tài)處理RTGI 效果。– 1:29 至 2:00 ：場景展示，由 Imagination 的 PowerVR Photon 架構(gòu) + 混合渲染提供支持，使用 O3DE。

關(guān)于 O3DE 引擎

我們將首先簡要介紹負責(zé)開發(fā)O3DE 的團隊。他們是藝術(shù)家和工程師的集合，他們的角色是通過圖形演示展示創(chuàng)新技術(shù)和功能。他們從使用新軟件中受益，因為這有助于他們增強作品的視覺效果，而公司則從性能數(shù)據(jù)收集中受益，這些數(shù)據(jù)代表了在發(fā)售設(shè)備中實施時，它們將如何在硬件上運行。

如果您對 O3DE 感興趣，那么入門很簡單。您可以從O3DE 的網(wǎng)站下載引擎，在穩(wěn)定版本或每日構(gòu)建版本（其中包含最新更新）之間進行選擇。與任何新事物一樣，第一步可能令人生畏，但不要擔(dān)心，堅持下去，您會在短時間內(nèi)就適應(yīng)它。

開發(fā)人員正在努力根據(jù)社區(qū)反饋（尤其是我們的反饋：作為引擎的早期采用者，我們與主要的O3DE 合作伙伴之一 AWS 密切合作）發(fā)布修改和更新，并提供有關(guān)如何使用這些功能的文檔。那么，經(jīng)過測試，O3DE 帶來了什么？嗯，O3DE 具有其他游戲引擎的所有典型特征，例如多線程渲染器、數(shù)據(jù)驅(qū)動的動畫系統(tǒng)、實時物理引擎等等。

正如我們上面提到的，O3DE的突出之處在于，與其他游戲引擎不同，它可以使用光線追蹤實時動態(tài)地重新計算 GI，使其成為展示我們IMG CXT的硬件光線追蹤功能的完美合作伙伴。

除了 GI，我現(xiàn)在將介紹其他幾個主題，以展示熟悉引擎是多么容易，并根據(jù)我們在制作BuonGIorno 演示過程中學(xué)到的知識，為您提供一些提示。

創(chuàng)意工作流程

對于開發(fā)人員來說，從項目的第一天開始就有清晰的想法是多么重要，我怎么強調(diào)都不過分。制作演示或視頻游戲是一個艱巨的過程，因此您必須從一開始就擁有具體的愿景才能獲得好的結(jié)果。這意味著了解項目的目的。例如，我們演示的主要目的是展示如何通過使用光線追蹤GI，從物體擴散的鮮艷色彩可以實時動態(tài)地影響周圍環(huán)境照明和附近的實體。這就是我們?nèi)绾蜗氤鰟?chuàng)建一個意大利風(fēng)格的小村莊并創(chuàng)建有彩色房屋的想法。

通過光線追蹤 GI 影響二次光反彈的材質(zhì)開關(guān)

我們首先收集參考資料，并制作由白框組成的場景（或布局）的初稿，然后我們迭代相同的想法，實現(xiàn)簡單的動畫和基本的技術(shù)功能。通過這種方式，您可以立即了解您的概念是否有效，以及它的可行性。完成并獲得批準(zhǔn)后，我們開始制作構(gòu)成場景所需的資源。

第一階段是對資源進行建模。您甚至可以使用照片掃描或其他技術(shù)，但請注意，游戲引擎通常需要您生成經(jīng)過優(yōu)化的資源，因此您需要注意一些事項。

• 密切關(guān)注多邊形數(shù)量。
• 注意模型的拓撲。
• 根據(jù)您的 UV 接縫指定平滑組。
• 調(diào)節(jié) UV 島的分布和間距，以避免顏色溢出。

達到這種優(yōu)化水平意味著您將能夠制作干凈的高多邊形到低多邊形“烘焙”（這意味著通過某些貼圖通道將細節(jié)從高多邊形造型投影到同一模型的低多邊形版本，例如凹凸、法線或高度）。這對于認為資源已準(zhǔn)備好接收動畫和紋理至關(guān)重要。

說到這里，讓我們進入資源制作流程的下一部分，即創(chuàng)建紋理貼圖和材質(zhì)。

目前，基于物理渲染(PBR) 的 O3DE 工作流程要求您為每個材質(zhì)通道設(shè)置獨立的紋理貼圖。然而，在未來的更新中，開發(fā)人員正在努力提供使用稱為“紋理打包”的技術(shù)的可能性。除此之外，要導(dǎo)出的紋理貼圖的數(shù)量和類型取決于您對著色器的要求。事實上，并不是每個著色器都針對相同的用途進行了優(yōu)化或需要相同類型的紋理。

例如，在創(chuàng)建新的PBR 材質(zhì)時，O3DE 允許您在不同的著色器之間進行選擇，每個著色器都支持不同的功能和紋理貼圖。這樣您就可以決定哪一個更適合您的需求。我希望您注意到，在O3DE 中這些不同版本的 PBR 材質(zhì)之間，有一點是它們都支持 “輻照度”。

O3DE 中不同 PBR 材質(zhì)預(yù)設(shè)中的輻照度

如果您可以在所有三個PBR實現(xiàn)技術(shù)中找到它，這一定很重要，對吧？

正確的！這是因為O3DE 中的輻照度是一個通道，當(dāng)使用帶有“乘”值的 GI 來管理顏色擴散的強度時，它決定了從該特定材料擴散出什么顏色。在實施 GI 時，您需要注意這一點。

讓我們進入下一部分，這將是關(guān)于O3DE 中的資源和功能實現(xiàn)的。

O3DE 中的資源和功能實現(xiàn)

如何使用資源填充關(guān)卡是開始可視化演示或視頻游戲的第一件事。您只需從場景內(nèi)的資源瀏覽器中拖動FBX 或 GLTF 文件（3D 文件的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件格式），就會自動創(chuàng)建具有網(wǎng)格組件的“實體”。從那里，您可以根據(jù)每個資源在場景中的用途開始添加“組件”。例如，讓您的關(guān)卡感覺生動是在演示或視頻游戲中實現(xiàn)的最重要的事情之一，因此您需要知道如何在某個點為某些對象或角色實現(xiàn)動畫。

O3DE 有兩種不同的動畫方法，一種最適合蒙皮（變形）對象，另一種最適合非蒙皮對象。第一種方法涉及將Actor 組件與 Simple Motion 組件或在 O3DE“動畫編輯器”中創(chuàng)建的運動系統(tǒng)一起使用。如果您不需要為實體蒙皮，您可以使用“軌跡視圖”編輯器并創(chuàng)建序列，在其中將動畫“關(guān)鍵幀”直接放入編輯器。選擇取決于您的需要，但請注意，O3DE中仍然不支持蒙皮對象主動影響 GI。對于開發(fā)人員來說，此功能仍在開發(fā)中，他們希望盡快實現(xiàn)它。

非蒙皮對象會影響光線追蹤 GI 探測器的實時激活，而蒙皮對象則不會。

預(yù)制件

預(yù)制件是一種特殊類型的組件，它允許將配置完全的游戲?qū)ο螅∣3DE中的“實體”）保存在項目中以供重復(fù)使用。然后，可以在場景甚至其他項目之間共享這些資源，而無需再次配置。這對于將被多次使用的對象非常有用；因此，它們至關(guān)重要，尤其是在關(guān)卡創(chuàng)建的模塊化或程序化方法上。O3DE 以預(yù)制件為中心，甚至您的關(guān)卡也會自動設(shè)置為預(yù)制件。

使用 Prefab 實例化游戲?qū)ο螅▽嶓w）的強大功能

預(yù)制件在 O3DE 中很容易創(chuàng)建：您可以通過右鍵單擊實體來完成- 然后您必須決定將其存儲在項目中的哪個位置。然后，您只需從“資源瀏覽器”訪問它們，復(fù)制并通過雙擊它們從視口或大綱中進行編輯。您現(xiàn)在只需單擊幾下即可將您的更改從一個預(yù)制件反映到所有實例化副本！

我們現(xiàn)在已經(jīng)知道如何在編輯器中實現(xiàn)資源了——但是如果您看不到演示或視頻游戲，那它又是什么？因此，下一個主題是照明。我不會專注于基本的照明特性，但我想讓你知道如何應(yīng)用GI。

O3DE 中的 GI功能強大。首先，如果需要，它可以一次使用多個光源，包括定向燈、點光源、聚光燈和區(qū)域燈。接下來，它可以計算二次光反彈，既可以為您使用硬件光線追蹤核心來進行動態(tài)計算，也可以作為探針與光源的單一交互進行烘焙。第三，也是最重要的，GI也很容易設(shè)置。

您需要執(zhí)行以下操作：

• 1. 首先，轉(zhuǎn)到您的“LevelName.prefab”并添加一個名為“DiffuseGlobal Illumination”的組件。2. 選擇您希望在場景中具有的GI 質(zhì)量級別。3. 創(chuàng)建一個新實體，并向其中添加一個“Diffuse Probe Grid”組件（O3DE 將要求您創(chuàng)建一個“長方體組件”以確定將包含和分布探針的體積邊界）。4. 通過設(shè)置 GI 體積的尺寸并將其移動到場景內(nèi)需要的位置來定義GI 體積的邊界（它必須完全包含您希望受 GI 影響的實體）。5. 開始調(diào)整 GI 參數(shù)，例如Probe Spacing、“Number of Rays per probe”、“Ambient Multiplier”（應(yīng)保持為 1）和偏差。您可以通過激活探針的可視化，來幫助自己在這些參數(shù)之間達到正確的平衡（“show active/inactive probes”，這是 O3DE 中最近添加的功能）。6. 確保 GI 實體處于活動狀態(tài)，模式設(shè)置為“實時（光線追蹤）”，并開始在體積影響內(nèi)播放實體、燈光、材質(zhì)和動畫。您會注意到GI 會實時適應(yīng)您的更改，從而提供更好的整體環(huán)境照明。這就是光線追蹤 GI 的強大之處。

7. 任何這些步驟和設(shè)置都可以隨時查看和修改。

最后，我想談?wù)勅绾瓮瓿珊蛯?dǎo)出您的項目。

完成項目時需要注意的是后期處理。設(shè)置后處理FXS 很簡單：它需要將“PostFX 層”組件添加到實體，然后您可以開始將所有其他單個效果組件添加到同一實體。目前， FX 功能有很多后處理特性可選，例如屏幕空間環(huán)境光遮蔽、自動或手動曝光控制、HDR顏色分級、色差、光暈等。

其他功能，例如光線追蹤屏幕空間反射，是O3DE 開發(fā)人員正在開發(fā)的東西，希望很快就會實現(xiàn)。

一些可用的后處理效果在 O3DE 中作為實體內(nèi)部的“組件”實現(xiàn)。

測試和導(dǎo)出您的工作

O3DE 編輯器可以隨時播放和測試您的關(guān)卡，跟蹤頂點計數(shù)、圖元計數(shù)、繪制項目，并監(jiān)控FPS速率。除了播放按鈕外，還有一個物理模擬按鈕，供想要嘗試該功能的人使用。

要導(dǎo)出您的作品（特別是我們演示的視頻），您可以從軌跡視圖中設(shè)置“camera director”，并創(chuàng)建最終的可播放序列。從那里，您可以直接在引擎中錄制視頻。

結(jié)論

您現(xiàn)在了解了我們在創(chuàng)建BuonGIorno 演示時了解的有關(guān) O3DE 的所有內(nèi)容。從本質(zhì)上講，我們想要展示的是 ，O3DE 是多么容易實現(xiàn)既熟悉又驚人的新功能，以增強您在演示和視頻游戲中的視覺效果。通過關(guān)注全局照明而不僅僅是反射，我們了解了光線追蹤如何幫助當(dāng)前和下一代開發(fā)人員制作更好、更逼真的環(huán)境照明。

雖然目前還沒有在O3DE 中同時實時運行光線追蹤反射和光線追蹤 GI 的選項，正如我多次提到的，開發(fā)人員正在開發(fā)它！感謝他們的努力，并且感謝 Imagination移動和桌面PowerVR Photon 架構(gòu)，這些功能將很快成為視頻游戲和實時 CGI 世界的標(biāo)準(zhǔn)，讓每個人都能享受更好的視覺效果。