2018年10月30日 | 技术文章：如何将光线追踪技术率先引入移动SoC

作者：Imagination Technologies内容经理Benny Har-Even

从今年8月底科隆游戏展开始，光线追踪技术（ray tracing）再次成为了行业的焦点，国内诸多科技媒体、尤其是游戏行业媒体对此进行了大量报道，主要原因是英伟达（NVIDA）推出的面向PC游戏市场的显卡已经支持这种开创性的图形技术了。

然而，Imagination是第一家将光线追踪技术变成现实的厂商，我们方法的与众不同之处在于：从头开始设计，采用严格标准在嵌入式硬件平台实现部署。换句话说，Imagination所做的正是我们所擅长的：让前沿技术更加的高效，而且让更多的人将来在移动平台上享受该技术的美妙。

当然，现在还为时尚早，甚至面向PC市场的GPU巨头也还没有发布相关的游戏，这也证明了围绕一项新技术创建生态系统的难度。一旦这些实现，消费者就会看到真正的效果，并且希望他们所有的设备中都能看到这种光线追踪技术。

从底层创新到IP授权

任何一篇关于光线追踪技术的文章里几乎都可以看到“圣杯”这样的字眼，它像是一直追求的东西但是似乎总是遥不可及。然而，我们第一次谈到光线追踪IP是在2012年，然后是2014年我们推出了支持光线追踪技术GPU系列，这一系列GPU集成了专门用于光线追踪加速的模块。这主要是为了用于移动硬件平台，但是为了演示和开发的方便性，我们将芯片集成在一块PCIe评估板卡上，并在2016年进行了运行测试。

现在PowerVR光线追踪技术可以通过授权使用，能够支持独立的光线追踪处理器或混合的光线追踪/光栅化器件。

那么，怎样实现光线追踪呢？

让我们快速回顾一下为什么光线追踪技术被认为是一件大事，如果你看过任何的3D图形场景就会发现场景的真实水平高度依赖光照。在被称为光栅化的传统图形渲染技术中，光照和阴影都是提前计算的，然后应用到场景中进行模拟。然而这种方法充其量也是很拙劣的场景模拟。

光线追踪是完全不同的，它真实模拟了现实世界中光的效果。在现实生活中，光源（比如太阳）发出的虚拟光束会不断进行传播或者房间内的一束光线照射到不同的物体上，光线会与物体相互作用，根据物体的表面性质发射到另一个表面，这样光线会不断的进行跳跃，从而产生光影。

计算机中的光线追踪或者更精确的路径追踪过程与真实世界中的光线传播方式是相反的。光线实际上是从相机的某个视角照射到场景内的物体上，然后算法会计算光线如何与物体表面的相互作用，追踪从每个物体上返回光源的光线，这样的结果是场景内像是被现实世界中的太阳照亮一样：有真实反射和阴影效果。

传统上计算机不可能做到这一点儿，因为计算负载太高了，因此会采用光栅化的方法进行“作弊”。

当然，虽然我们还没有将其应用到游戏中，但是我们已经很熟悉光线追踪的效果。你将会在每一部3D动画电影中看到这样的效果，有好看的人物和真实的场景。然而这些场景需要在专门的服务器集群上经过几个月时间的渲染才能完成，这对于游戏来说并不适合，游戏必须实现以每秒至少30帧的速度实时生成场景。

正如前面所讨论的那样，这在以前是不可能的，因为要涉及到巨大的计算成本，但是Imagination采用一种混合的方式改变了游戏面临的难题，它结合了光栅化的速度和光线追踪的视觉精度两方面的优点。

一个具有真实阴影的光线追踪机器人

使光线追踪生效

如果你想了解我们是如何做到这一点的：将阴影、反射和折射集成到传统的光栅化游戏引擎中，那就点击下面这个链接的阅读文章吧，在我们的博客文章《实时光照的混合渲染：光线追踪vs光栅化》中，我们详细讨论了这种技术的区别。

当然如果没有API支持新的硬件和技术可以说什么都不是，为此Imagination创建了OpenRL作为光线追踪的API，后续我们增加了OpenGL ES光线追踪扩展以及面向Vulkan的API。

混合光线追踪技术现在已经在微软DirectX12中实现，这为全新的台式PC机显卡铺平了道路。

高效vs蛮力

当然，一个关键的区别之处在于，虽然英伟达（NVIDIA）RTX卡在游戏状态下的功耗测量为225W，但是我们的解决方案是专门为移动平台而设计的，我们芯片的运行功率只有2W，这款Demo板卡的功率也只有10W左右。而且我们采用的还是比较老的28nm工艺技术，这个Demo展示了我们的解决方案是如何在低功率情况下正常运行的，巅峰速率可达到300MRay/sec，这参考了英伟达（NVIDIA）新版显卡的功率。

我们相信未来发热和功耗这两方面对于光线追踪设备来说是至关重要的，支持光线追踪技术需要专用固定功能的硬件平台，而且要比传统光栅化或通用计算硬件平台要高效的多，我们的方法具备带宽高效和高质量两方面的优势，这种独特的高效方式无疑是双赢的。

虽然AR和VR还没有成为主流，但是仍然有很多人相信它们会成为焦点。当涉及到VR时要保证各方面顺滑，需要采用可变采样率和凹形渲染等技术，而这些技术在我们的混合光线追踪方案中也更加的容易实现。

光线追踪将有助于提升VR场景的真实感

将移动光线追踪带到主流

为了推动其成为主流，我们必须创造一种支持无线且轻量级的设备，给用户使用时带来愉快的体验。以麻省理工学院（MIT）的一位记者为例，他通过VR头盔参加了Facebook的Oculus会议。整个过程都是无线的，但是最后他对这台设备糟糕的电池续航时间感到失望，因此我们对功率效率的关注是关键。

在移动设备上安装支持光线追踪技术的游戏会怎样？就我个人而言，我比较偏爱CSR2这款游戏，它是一款简单的赛车竞速游戏，最大的吸引力在于赛车的外观非常的真实，闪亮的表面会反光，这很大程度上要归功于物理层的渲染（我们在2016年讨论过移植到PowerVR硬件平台上运行的效果），但是如果在真正的光线追踪反射效果下，这些赛车看起来将多么不可思议呢？

CSR2让你感觉像在真实世界用一辆虚拟汽车，当然这显然是不真实的——缺少光线追踪效果让这款游戏显得有些瑕疵！

CSR2还涉及到AR：让你能够使用摄像机将虚拟汽车放在现实世界中，可以是在房间内的小桌子上或者宽阔的户外。当我把一辆巡洋舰放在我自己的花园里并将截图展示给我的同事看，我能明显的观察到他们被糊弄了一秒钟然后才意识到那不是真的，最重要的是光照效果暴露了。现在想象一下，如果你的智能手机能够分析相机画面中的光线，并且在渲染虚拟物体时考虑到这一点，那么增强现实的效果将会提升一个层次。

同样这也会对汽车行业产生一定的影响，正如我们已经讨论过的，现在很多汽车的显示屏都会显示环绕摄像头采集的图像，使用光线追踪技术，灯光条件就会被考虑在内，使得汽车仪表盘的画面看起来更加的真实，而且也更加容易判断障碍物。

准备好采用光线追踪IP

我们很高兴的是光线追踪又回到了议程上，虽然光线追踪技术一直在蓬勃发展，一旦用户在电脑上看到了它的效果，用户就会非常的喜欢，而且确实期待它出现在移动平台、VR头戴和游戏机上。

我们拥有多年的光线追踪技术开发经验，并随时准备与相关各方进行讨论将我们的IP以怎样的方式将光线追踪技术引入到功率有限的设备上，比如智能手机、VR/AR、游戏机和汽车市场等。

如果你想以一种节能和低成本的方式构建下一代图形硬件，那么你需要和功效方面的专家好好沟通一下，通过合作我们不仅要最终摘得图形技术的“圣杯”，而且要将其交付给广大的用户，提供更加真实的用户体验，将3D图形技术推动到更高的阶段。