您最后一次在 PC 或游戲機(jī)上玩視頻游戲是什么時(shí)候？如果它是最受歡迎的游戲之一，您可能已經(jīng)注意到圖形的逼真程度。今天，最先進(jìn)的 PC 和主機(jī)游戲中的圖形正在接近我們?cè)陔娪爸锌吹降恼鎸?shí)感。

創(chuàng)建逼真的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)生成圖形的最重要元素之一是場(chǎng)景的照明。渲染 3D 圖形的傳統(tǒng)方式（光柵化）在模擬逼真的光照和陰影方面并不是最強(qiáng)大的技術(shù)。這是因?yàn)楣鈻呕?a target="_blank">工作原理是將虛擬多邊形網(wǎng)格化為 3D 模型，然后將這些模型分解為必須單獨(dú)著色的像素，而這個(gè)過(guò)程需要大量的工作和計(jì)算資源，并且經(jīng)常需要復(fù)雜的開(kāi)發(fā)人員技術(shù)。

電影動(dòng)畫(huà)師早就知道這一點(diǎn)，轉(zhuǎn)而使用光線追蹤技術(shù)來(lái)制作全局照明、陰影和反射等效果。光線追蹤是一種輕松準(zhǔn)確地模擬光線行為的方法，可以讓場(chǎng)景看起來(lái)更逼真，并且創(chuàng)建工作量更少。該技術(shù)更符合人眼看待世界的方式，光線從環(huán)境中的物體反射回來(lái)，并根據(jù)物體的材料成分吸收/反射光線。

因?yàn)楣饩€追蹤可以實(shí)現(xiàn)更逼真的效果，開(kāi)發(fā)人員可以使用它為游戲玩家創(chuàng)造更加身臨其境的體驗(yàn)。而且由于使用光線追蹤比使用傳統(tǒng)光柵化更容易創(chuàng)建這些效果，因此它可以騰出開(kāi)發(fā)人員的時(shí)間來(lái)處理游戲的其他方面。

然而，在游戲中使用光線追蹤技術(shù)的缺點(diǎn)是，要獲得真正身臨其境的體驗(yàn)，光線追蹤必須實(shí)時(shí)完成。這意味著必須在幾分之一秒內(nèi)渲染圖像，這使得它在處理和資源方面的成本高得令人望而卻步。

今天，市場(chǎng)上的硬件可以在控制臺(tái)和 PC 游戲中啟用實(shí)時(shí)光線追蹤效果，但它被選擇性地用于僅照亮場(chǎng)景中最關(guān)鍵的對(duì)象，并且在某些情況下，用戶可以決定如何使用它?？紤]到性能限制，他們可以決定是否要使用它來(lái)生成反射與陰影，或者完全使用它——他們可能會(huì)選擇關(guān)閉它以優(yōu)化幀速率。底線是存在性能權(quán)衡。

當(dāng)前具有光線追蹤功能的硬件通過(guò)提供比前幾代更多的光線追蹤處理來(lái)提高性能，但它需要更多的硅面積和更多的功率。如今，在功率受限的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光線追蹤極具挑戰(zhàn)性，因此該技術(shù)還沒(méi)有為手機(jī)游戲玩家的屏幕增添光彩。然而，由于移動(dòng)游戲?qū)⒃?2021 年占全球游戲市場(chǎng)的 52% ，因此這是一個(gè)不容忽視的圖形人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

當(dāng)今移動(dòng)設(shè)備中的圖形

盡管尚未獲得光線追蹤技術(shù)的幫助，移動(dòng)圖形質(zhì)量仍在繼續(xù)提高。隨著圖形變得越來(lái)越逼真，使用傳統(tǒng)技術(shù)制作它們的能力變得越來(lái)越復(fù)雜，這將性能、帶寬和功率要求推向了移動(dòng)處理器的極限。

陰影的產(chǎn)生就是一個(gè)很好的例子。陰影生成傳統(tǒng)上是通過(guò)級(jí)聯(lián)陰影貼圖完成的——這個(gè)過(guò)程需要大量的幾何處理、大量緩沖區(qū)的分配、以高分辨率處理多個(gè)渲染目標(biāo)以及昂貴的著色器操作。在處理周期、功耗和帶寬方面的成本是巨大的。而且，在所有這些投資之后，結(jié)果仍然不如通過(guò)使用光線追蹤以更容易的方式創(chuàng)建的結(jié)果那么現(xiàn)實(shí)。

使用光線追蹤技術(shù)，光線從單個(gè)像素發(fā)送到光源，如果光線擊中某物，該區(qū)域就會(huì)處于陰影中。每像素一條射線使這成為一個(gè)簡(jiǎn)單、廉價(jià)且直接的過(guò)程，尤其是在使用專用硬件的情況下。傳統(tǒng)光柵化遇到的許多分辨率問(wèn)題、偽影和其他挑戰(zhàn)（例如避免浮動(dòng)幾何所需的偏置）在光線追蹤中不存在。只要可以有效地實(shí)現(xiàn)專用硬件，創(chuàng)建光照和陰影效果就變成了一個(gè)微不足道的挑戰(zhàn)。

今天，該行業(yè)正處于一個(gè)交叉點(diǎn)，使用陰影貼圖和其他傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行的近似變得如此昂貴，以至于實(shí)時(shí)光線追蹤實(shí)際上正在成為一種更有效的選擇。此外，隨著我??們接近摩爾定律的終結(jié)，我們不能再指望可編程硬件每?jī)赡暌灾笖?shù)方式變得更強(qiáng)大。因此，為了繼續(xù)加快光線追蹤技術(shù)的進(jìn)步，特別是對(duì)于功率受限的移動(dòng)平臺(tái)，業(yè)界必須尋求高效設(shè)計(jì)的固定功能加速器解決方案。

在移動(dòng)設(shè)備中不斷制作更好的圖形的關(guān)鍵在于硬件和開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化技術(shù)的效率。

光線追蹤硬件的現(xiàn)狀

實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)一直是 3D 圖形的圣杯。光線追蹤可以在不同級(jí)別的性能和效率下執(zhí)行，為了突出這一點(diǎn)，Imagination 建立了光線追蹤級(jí)別系統(tǒng)（RTLS），識(shí)別了從 0 級(jí)到 5 級(jí)的六個(gè)級(jí)別的光線追蹤。最初的硬件加速光線追蹤工作 –我們?cè)?RTLS 量表上所說(shuō)的 0 級(jí)并不是最優(yōu)的。這些解決方案功能有限，需要定制硬件和應(yīng)用程序編程接口 （API）。當(dāng)然，這些解決方案對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)并不是很有趣。市場(chǎng)隨后發(fā)展到“1 級(jí)”解決方案，該解決方案在傳統(tǒng) GPU 上使用基于軟件的計(jì)算。這樣的解決方案提供了更大的靈活性，但距離理想還有很長(zhǎng)的路要走。

我們今天在市場(chǎng)上看到的大多數(shù)光線追蹤技術(shù)（例如用于 PC 和游戲機(jī)）都是我們所說(shuō)的 2 級(jí) RTLS 解決方案。這些具有用于光線追蹤最基本和最廣泛操作的專用硬件：針對(duì)相交的方框和三角形測(cè)試光線。將其放入固定功能的硬件中可以獲得更好的電源效率，但對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)仍然不夠好。在 GPU 計(jì)算核心上的軟件著色器程序中，還有多個(gè)額外級(jí)別的光線追蹤過(guò)程需要完成，更糟糕的是，這些處理階段對(duì) GPU 內(nèi)的并行執(zhí)行引擎并不友好。這也導(dǎo)致傳統(tǒng)圖形效果的性能降低，并且在使用算術(shù)邏輯單元（ALU）管道方面效率不高，

當(dāng)今市場(chǎng)上最復(fù)雜的光線追蹤解決方案處于 3 級(jí)。這些解決方案在專用硬件中實(shí)現(xiàn)了更多的光線追蹤功能，卸載了著色器內(nèi)核以提高效率。在此級(jí)別，涉及遍歷包圍體層次結(jié)構(gòu) （BVH）（光線追蹤的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）的完整光線相交處理在專用硬件中實(shí)現(xiàn)。這提高了更復(fù)雜場(chǎng)景的光線追蹤效率，并更好地卸載了光線追蹤功能，減少了對(duì)傳統(tǒng)圖形性能的影響。

但是，這些解決方案仍然缺乏使光線追蹤在移動(dòng)設(shè)備中成為可能所需的基本組件：相干性收集。由于光線傾向于在許多不同的方向上散射，如果不解決相干性問(wèn)題，GPU 通常具有的許多并行性優(yōu)勢(shì)就會(huì)喪失。這會(huì)導(dǎo)致較低的帶寬利用率、復(fù)雜的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式以及著色器管道處理效率的降低。雖然這些解決方案可能聲稱可以實(shí)現(xiàn)每秒高千兆射線，但它們通常效率低下。這可能與 GPU 處理資源的低利用率或內(nèi)存訪問(wèn)限制有關(guān)，這是由于光線在整個(gè)場(chǎng)景中的散射導(dǎo)致的非相干內(nèi)存訪問(wèn)模式造成的。

要讓實(shí)時(shí)光線追蹤在移動(dòng)設(shè)備中成為現(xiàn)實(shí)，它與效率、利用 GPU 中固有的并行性以及開(kāi)發(fā)用于硬件優(yōu)化的智能算法有關(guān)。需要的是更智能的硬件解決方案。

更智能的光線追蹤硬件

該行業(yè)必須超越 3 級(jí)硬件，才能在移動(dòng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光線追蹤。在 Imagination，迄今為止，我們已經(jīng)為超過(guò) 100 億臺(tái)移動(dòng)設(shè)備提供了 3D 圖形技術(shù)。我們知道如何在高效的硬件中提供令人驚嘆的圖形。2016 年，Imagination 的光線追蹤開(kāi)發(fā)板已經(jīng)比當(dāng)今市場(chǎng)上的解決方案更加復(fù)雜?，F(xiàn)在，我們將 4 級(jí) RTLS 光線追蹤解決方案推向市場(chǎng)。

在第 4 級(jí)，BVH 的光線遍歷是在專用硬件中完成的，就像在第 3 級(jí)中一樣，但更關(guān)鍵的是，光線的相干性排序也是如此。在此過(guò)程中，我們將沿同一方向傳播的光線分組，從而允許處理大批量以充分利用構(gòu)成每個(gè) GPU 基礎(chǔ)的并行計(jì)算方法。

長(zhǎng)期以來(lái)，我們一直利用 GPU 中固有的并行性以及基于切片的渲染等技術(shù)，通過(guò)這些技術(shù)，我們通過(guò)切片的空間局部性排序來(lái)提高效率。今天，這是普遍接受的做法?，F(xiàn)在，我們通過(guò)光線的分類將相同的想法帶入光線追蹤。通過(guò)這種方式，我們提高了寬 ALU 的整體利用率并顯著提高了測(cè)試效率。對(duì)傳統(tǒng)圖形性能的影響也很小，因?yàn)槲覀儙缀鯇⒐饩€追蹤處理完全卸載到專用硬件中，讓著色器核心可用于所有其他非光線追蹤處理。

我們的第 4 級(jí) RTLS 解決方案代表了當(dāng)今可用的最高光線追蹤，并且很快就會(huì)采用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。借助 Imagination 的 4 級(jí)光線追蹤 IP IMG CXT，公司可以構(gòu)建 FP32 光柵化性能高達(dá) 9TFLOPS 和光線追蹤性能超過(guò) 7.2GRay/s 的 SoC，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2.5 倍的功率效率。到今天的 2 級(jí)或 3 級(jí)解決方案。

開(kāi)發(fā)者優(yōu)化技術(shù)

即使是最高效的硬件仍然可以使用一些幫助來(lái)在移動(dòng)平臺(tái)上提供最佳圖形質(zhì)量。移動(dòng)設(shè)備的優(yōu)化比控制臺(tái)或 PC 更重要，在某種程度上，通過(guò)暴力破解帶寬和功率預(yù)算可用性過(guò)高的問(wèn)題來(lái)容忍低效率。手機(jī)沒(méi)有這種蠻力容忍度，因?yàn)橐磺卸急仨氁院苄〉男问焦ぷ?，并基于小電池提供的能量運(yùn)行。手機(jī)的特性意味著硬件必須由游戲引擎有效驅(qū)動(dòng)，以確保手機(jī)不會(huì)過(guò)熱、降低時(shí)鐘和降低幀率。這意味著為移動(dòng)設(shè)備創(chuàng)建硬件的關(guān)鍵之一是優(yōu)化管理熱效應(yīng)。

我們告訴開(kāi)發(fā)人員首先要考慮的是少即是多：并非場(chǎng)景中的每個(gè)像素都需要光線追蹤。我們建議開(kāi)發(fā)者使用他們的光線追蹤預(yù)算來(lái)獲得最大的視覺(jué)沖擊和游戲體驗(yàn)價(jià)值。同樣，針對(duì)每個(gè)三角形測(cè)試每條射線也太復(fù)雜了。通過(guò)構(gòu)建有效的層次結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)人員可以在確定要測(cè)試哪些三角形時(shí)提高硬件效率。構(gòu)建最好的加速結(jié)構(gòu)通常最好離線完成。

開(kāi)發(fā)人員還應(yīng)避免使用所有蠻力算法。像軟陰影這樣的效果可以通過(guò)像素間更智能的采樣器模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并將它們與空間過(guò)濾器結(jié)合起來(lái)，而不是在每個(gè)像素中發(fā)出許多光線。此外，大多數(shù)光線追蹤效果可以以較低的分辨率渲染——例如，以四分之一的分辨率進(jìn)行處理——然后按比例放大。然后可以使用圖像的時(shí)間和空間屬性通過(guò)去噪濾波器減輕稀疏采樣的光線追蹤噪聲。其中許多階段可以折疊在一起，并且可以在傳統(tǒng)的 GPU 計(jì)算硬件上高效運(yùn)行。還可以利用幾乎每部手機(jī)中已經(jīng)提供的專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速引擎。

開(kāi)發(fā)人員可以使用許多其他技術(shù)來(lái)優(yōu)化移動(dòng)設(shè)備，例如全局照明的動(dòng)態(tài)探針、API 的周到使用等等。最重要的是，高效的光線追蹤硬件與智能開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化相結(jié)合，將是讓實(shí)時(shí)光線追蹤在移動(dòng)設(shè)備上成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。

移動(dòng)設(shè)備的游戲規(guī)則改變者

有可能——通過(guò)新的高效專用硬件和設(shè)計(jì)技術(shù)——將光線追蹤技術(shù)引入移動(dòng)設(shè)備。這是一個(gè)真正的游戲規(guī)則改變者。它不僅可以為開(kāi)發(fā)人員提供世界上最大的游戲人群，還可以使移動(dòng)設(shè)備制造商在其產(chǎn)品中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)差異化，并允許開(kāi)發(fā)人員在移動(dòng)設(shè)備上創(chuàng)建新的沉浸式用戶體驗(yàn)。

審核編輯：郭婷