Imagination將光線(xiàn)追蹤技術(shù)率先引入移動(dòng)SoC

　　從今年8月底科隆游戲展開(kāi)始，光線(xiàn)追蹤技術(shù)(ray tracing)再次成為了行業(yè)的焦點(diǎn)，國內諸多科技媒體、尤其是游戲行業(yè)媒體對此進(jìn)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(chǎng)的顯卡已經(jīng)支持這種開(kāi)創(chuàng )性的圖形技術(shù)了。

　　然而，Imagination是第一家將光線(xiàn)追蹤技術(shù)變成現實(shí)的廠(chǎng)商，我們方法的與眾不同之處在于：從頭開(kāi)始設計，采用嚴格標準在嵌入式硬件平臺實(shí)現部署。換句話(huà)說(shuō)，Imagination所做的正是我們所擅長(cháng)的：讓前沿技術(shù)更加的高效，而且讓更多的人將來(lái)在移動(dòng)平臺上享受該技術(shù)的美妙。

　　當然，現在還為時(shí)尚早，甚至面向PC市場(chǎng)的GPU巨頭也還沒(méi)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)系統的難度。一旦這些實(shí)現，消費者就會(huì )看到真正的效果，并且希望他們所有的設備中都能看到這種光線(xiàn)追蹤技術(shù)。

　　從底層創(chuàng )新到IP授權

　　任何一篇關(guān)于光線(xiàn)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(xiàn)追蹤IP是在2012年，然后是2014年我們推出了支持光線(xiàn)追蹤技術(shù)GPU系列，這一系列GPU集成了專(zhuān)門(mén)用于光線(xiàn)追蹤加速的模塊。這主要是為了用于移動(dòng)硬件平臺，但是為了演示和開(kāi)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(jìn)行了運行測試。

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

　　那么，怎樣實(shí)現光線(xiàn)追蹤呢?

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

　　光線(xiàn)追蹤是完全不同的，它真實(shí)模擬了現實(shí)世界中光的效果。在現實(shí)生活中，光源(比如太陽(yáng))發(fā)出的虛擬光束會(huì )不斷進(jìn)行傳播或者房間內的一束光線(xiàn)照射到不同的物體上，光線(xiàn)會(huì )與物體相互作用，根據物體的表面性質(zhì)發(fā)射到另一個(gè)表面，這樣光線(xiàn)會(huì )不斷的進(jìn)行跳躍，從而產(chǎn)生光影。

　　計算機中的光線(xiàn)追蹤或者更精確的路徑追蹤過(guò)程與真實(shí)世界中的光線(xiàn)傳播方式是相反的。光線(xiàn)實(shí)際上是從相機的某個(gè)視角照射到場(chǎng)景內的物體上，然后算法會(huì )計算光線(xiàn)如何與物體表面的相互作用，追蹤從每個(gè)物體上返回光源的光線(xiàn)，這樣的結果是場(chǎng)景內像是被現實(shí)世界中的太陽(yáng)照亮一樣：有真實(shí)反射和陰影效果。

　　傳統上計算機不可能做到這一點(diǎn)兒，因為計算負載太高了，因此會(huì )采用光柵化的方法進(jìn)行“作弊”。

　　當然，雖然我們還沒(méi)有將其應用到游戲中，但是我們已經(jīng)很熟悉光線(xiàn)追蹤的效果。你將會(huì )在每一部3D動(dòng)畫(huà)電影中看到這樣的效果，有好看的人物和真實(shí)的場(chǎng)景。然而這些場(chǎng)景需要在專(zhuān)門(mén)的服務(wù)器集群上經(jīng)過(guò)幾個(gè)月時(shí)間的渲染才能完成，這對于游戲來(lái)說(shuō)并不適合，游戲必須實(shí)現以每秒至少30幀的速度實(shí)時(shí)生成場(chǎng)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，它結合了光柵化的速度和光線(xiàn)追蹤的視覺(jué)精度兩方面的優(yōu)點(diǎn)。

　　一個(gè)具有真實(shí)陰影的光線(xiàn)追蹤機器人

　   使光線(xiàn)追蹤生效

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

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

　　混合光線(xiàn)追蹤技術(shù)現在已經(jīng)在微軟DirectX12中實(shí)現，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(gè)關(guān)鍵的區別之處在于，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(zhuān)門(mén)為移動(dòng)平臺而設計的，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(gè)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(lái)發(fā)熱和功耗這兩方面對于光線(xiàn)追蹤設備來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，支持光線(xiàn)追蹤技術(shù)需要專(zhuān)用固定功能的硬件平臺，而且要比傳統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?jì)煞矫娴膬?yōu)勢，這種獨特的高效方式無(wú)疑是雙贏(yíng)的。

　　雖然AR和VR還沒(méi)有成為主流，但是仍然有很多人相信它們會(huì )成為焦點(diǎn)。當涉及到VR時(shí)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(xiàn)追蹤方案中也更加的容易實(shí)現。

　　光線(xiàn)追蹤將有助于提升VR場(chǎng)景的真實(shí)感

　　將移動(dòng)光線(xiàn)追蹤帶到主流

　　為了推動(dòng)其成為主流，我們必須創(chuàng )造一種支持無(wú)線(xiàn)且輕量級的設備，給用戶(hù)使用時(shí)帶來(lái)愉快的體驗。以麻省理工學(xué)院(MIT)的一位記者為例，他通過(guò)VR頭盔參加了Facebook的Oculus會(huì )議。整個(gè)過(guò)程都是無(wú)線(xiàn)的，但是最后他對這臺設備糟糕的電池續航時(shí)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(dòng)設備上安裝支持光線(xiàn)追蹤技術(shù)的游戲會(huì )怎樣?就我個(gè)人而言，我比較偏愛(ài)CSR2這款游戲，它是一款簡(jiǎn)單的賽車(chē)競速游戲，最大的吸引力在于賽車(chē)的外觀(guān)非常的真實(shí)，閃亮的表面會(huì )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(guò)移植到PowerVR硬件平臺上運行的效果)，但是如果在真正的光線(xiàn)追蹤反射效果下，這些賽車(chē)看起來(lái)將多么不可思議呢?

　　CSR2讓你感覺(jué)像在真實(shí)世界用一輛虛擬汽車(chē)，當然這顯然是不真實(shí)的——缺少光線(xiàn)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(chē)放在現實(shí)世界中，可以是在房間內的小桌子上或者寬闊的戶(hù)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(guān)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?，F在想象一下，如果你的智能手機能夠分析相機畫(huà)面中的光線(xiàn)，并且在渲染虛擬物體時(shí)考慮到這一點(diǎn)，那么增強現實(shí)的效果將會(huì )提升一個(gè)層次。

　　同樣這也會(huì )對汽車(chē)行業(yè)產(chǎn)生一定的影響，正如我們已經(jīng)討論過(guò)的，現在很多汽車(chē)的顯示屏都會(huì )顯示環(huán)繞攝像頭采集的圖像，使用光線(xiàn)追蹤技術(shù)，燈光條件就會(huì )被考慮在內，使得汽車(chē)儀表盤(pán)的畫(huà)面看起來(lái)更加的真實(shí)，而且也更加容易判斷障礙物。

　　準備好采用光線(xiàn)追蹤IP

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

　　我們擁有多年的光線(xiàn)追蹤技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，并隨時(shí)準備與相關(guān)各方進(jìn)行討論將我們的IP以怎樣的方式將光線(xiàn)追蹤技術(shù)引入到功率有限的設備上，比如智能手機、VR/AR、游戲機和汽車(chē)市場(chǎng)等。

　　如果你想以一種節能和低成本的方式構建下一代圖形硬件，那么你需要和功效方面的專(zhuān)家好好溝通一下，通過(guò)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(hù)，提供更加真實(shí)的用戶(hù)體驗，將3D圖形技術(shù)推動(dòng)到更高的階段。