對(duì)于了解3D圖形技術(shù)的人來(lái)說(shuō)這個(gè)行業(yè)正在發(fā)生一件真正令人興奮的事情——實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)的發(fā)展。它通常被描述為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的“圣杯”，光線追蹤技術(shù)是使用一種模擬真實(shí)世界光線行為的技術(shù)來(lái)生成3D場(chǎng)景，從而為開(kāi)發(fā)人員提供工具來(lái)制作令人難以置信的逼真視覺(jué)效果。2016年Imagination公司推出了世界上首款專用的光線追蹤加速器。它所提供的強(qiáng)大性能使得該項(xiàng)技術(shù)能夠應(yīng)用到實(shí)際場(chǎng)景中，2018年英偉達(dá)（NVIDIA）為個(gè)人臺(tái)式電腦推出了硬件平臺(tái)來(lái)支持他自己版本的技術(shù)，并命名為”RTX”。

在繼續(xù)深入之前，我們有必要了解一下為什么光線追蹤技術(shù)如此的重要。光線追蹤為開(kāi)發(fā)人員提供了確定場(chǎng)景結(jié)構(gòu)的工具，提供了一種直觀的方法來(lái)確定3D場(chǎng)景中對(duì)象之間的關(guān)系，其中一個(gè)例子就是反射。假如在一款游戲中有汽車、水坑和地面上熊熊燃燒的火，可是畫面里我們卻看不到火光，采用光柵化技術(shù)火光不能反射到汽車窗戶和水坑上，但通過(guò)光線追蹤技術(shù)火焰的反射效果會(huì)真實(shí)的呈現(xiàn)在屏幕上，這不僅僅是為了創(chuàng)造更加完美的圖像，而且還會(huì)對(duì)游戲玩法產(chǎn)生根本性的影響。想象一下一個(gè)敵人匍匐在一個(gè)有窗戶的地方，玩家躲在角落里，通過(guò)光線追蹤玩家可以看到敵人在窗戶上的倒影，如果采用光柵化技術(shù)則需要大量的工作。

光線追蹤技術(shù)所能夠帶來(lái)的自然效果正是它多年來(lái)一直被主要的電影制片廠用于動(dòng)畫電影和效果創(chuàng)作的原因。皮克斯電影“汽車總動(dòng)員（Cars）”中閃電麥昆（Lighting McQueen）的閃亮反光、“鋼鐵俠（Iron Man）”的反光服以及“變形金剛（Transformers）”中的偽裝機(jī)器人都是得益于光線追蹤技術(shù)。

你可能會(huì)問(wèn)，既然光線追蹤技術(shù)如此之好，為什么用它來(lái)創(chuàng)建游戲和其他3D場(chǎng)景還不是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)呢？原因是從計(jì)算性能的角度來(lái)看，它的代價(jià)非常的“昂貴”，超出了傳統(tǒng)硬件的能力范圍。顧名思義當(dāng)跟蹤光線時(shí)處理器必須跟蹤從光源發(fā)出的所有光線，并計(jì)算每個(gè)光線如何與場(chǎng)景中的每個(gè)對(duì)象和表面交互。當(dāng)每一束光線照射到一個(gè)物體時(shí)，根據(jù)物理表面的類型，它可能會(huì)被吸收、反射、折射或者被散射，這可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)千條額外的光線，而且都需要進(jìn)行跟蹤計(jì)算，這個(gè)過(guò)程被稱為全局光照。光線追蹤的性能度量單位是每秒數(shù)百萬(wàn)條光線，這是理論上的度量標(biāo)準(zhǔn)，類似于GPU的填充率單位GPixels/sec和GPU的計(jì)算性能單位GFLOPS。

在電影制片廠強(qiáng)大的工作站可以配備高端的顯卡，這會(huì)非常的耗電，它可以不計(jì)時(shí)間成本和功耗來(lái)在本地構(gòu)建場(chǎng)景中所需要的光線情況。然而對(duì)于便攜設(shè)備或汽車上的儀表則無(wú)法完成這樣的處理過(guò)程，需要的效果要達(dá)到每秒60幀（fps）或更高，這同時(shí)會(huì)受到移動(dòng)電源電量的限制。

為什么我們要采用光柵化技術(shù)？

由于這些限制3D圖形的標(biāo)準(zhǔn)是一種稱為光柵化的技術(shù)，即使用三角形網(wǎng)格來(lái)創(chuàng)建3D對(duì)象，然后會(huì)被映射到一個(gè)二維平面上進(jìn)行紋理和陰影的處理，這種方式相比光線追蹤對(duì)于計(jì)算性能的要求更低一些，并且由于其高度并行的特性，現(xiàn)在GPU已經(jīng)被高度的優(yōu)化從而更加有效的分析和處理陰影三角形。

然而決定每個(gè)像素外觀的著色器只能“偽造”真實(shí)世界的燈光，這限制了真實(shí)感，雖然采用基于光柵化的技術(shù)可以用來(lái)模擬光線追蹤，比如高光材質(zhì)，但是計(jì)算負(fù)載會(huì)增加，處理帶寬會(huì)增大，整體能耗成本也大大提高，同時(shí)會(huì)增加復(fù)雜性使得效率明顯降低，因此權(quán)衡各方面的情況采用光柵化技術(shù)模擬光線追蹤效果是不合適的。

與光柵化相比，光線追蹤是一種內(nèi)在優(yōu)雅的解決方案，它的渲染算法可以用來(lái)創(chuàng)建不依賴陰影映射（Soft Shadow）或其他光照（Lighting）等工具的光照陰影效果。舉個(gè)例子，在柵格化中動(dòng)態(tài)立方體（Cube Map）映射經(jīng)常被用來(lái)模擬反射，然而這些不僅耗費(fèi)計(jì)算性能和帶寬，而且由于分辨率的限制，當(dāng)更新和進(jìn)行像素化時(shí)還會(huì)有延遲問(wèn)題。類似地級(jí)聯(lián)陰影映射（Cascaded Shadow Map）它使用百分比的過(guò)濾方式來(lái)確定軟陰影效果，這就需要額外的幾何處理、計(jì)算、像素著色等大量的工作，并且消耗額外的帶寬。那么這些問(wèn)題在光線追蹤看來(lái)，都是開(kāi)銷極小的微不足道的問(wèn)題。

這并不是說(shuō)光線追蹤就不復(fù)雜，需要專業(yè)的知識(shí)有效的利用它，一旦這項(xiàng)技術(shù)被理解并被內(nèi)置到工作流程中就會(huì)讓開(kāi)發(fā)人員更加有效率的工作，讓他們更加專注于應(yīng)用程序方面的開(kāi)發(fā)。

為了將圖形技術(shù)提升到一個(gè)新的水平，轉(zhuǎn)向光線追蹤技術(shù)是很有意義的，下圖是Imagination在2012年首次發(fā)布并展示了光線追蹤架構(gòu)發(fā)展過(guò)程。

PowerVR光線追蹤技術(shù)的發(fā)展

從另一個(gè)角度來(lái)看

Imagination公司的光線追蹤技術(shù)做了兩件開(kāi)創(chuàng)性的事情，首先我們推出了“混合渲染”的概念，傳統(tǒng)的光柵化技術(shù)用于大部分場(chǎng)景，而光線追蹤技術(shù)用于最重要的部分，即反射和陰影，從而大大降低了所需的計(jì)算性能和帶寬。

第二種方法是使用一種叫做“反向光線追蹤”的技術(shù)，這推翻了光線的概念，從光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)周圍場(chǎng)景的發(fā)射最終到達(dá)我們的眼睛，相反，光線從觀察者或“相機(jī)（camera）”投射到場(chǎng)景中，當(dāng)光線到達(dá)表面時(shí)就可以被追蹤到光源，如果不能追蹤到光源那么就不需要計(jì)算了，這樣就大大降低了計(jì)算的復(fù)雜度。

光線追蹤將光線投射到場(chǎng)景中來(lái)構(gòu)建算法

NVIDIA在其新的基于圖靈架構(gòu)的顯卡上采用了類似的方法，傳統(tǒng)的光柵化硬件和專用的芯片相結(jié)合，專門設(shè)計(jì)用于加速一些光線追蹤的計(jì)算。當(dāng)然不提供相應(yīng)的API和軟件的硬件是沒(méi)有用的，NVIDIA已經(jīng)與微軟合作使得DirectX12 API開(kāi)始支持光線追蹤，而采用PowerVR光線追蹤的開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)使用OpenGL ES?和Vulkan?擴(kuò)展庫(kù)。

隨著游戲“戰(zhàn)地5”的更新補(bǔ)丁提供對(duì)RTX的支持，開(kāi)發(fā)者DICE首次將光線追蹤引入主流市場(chǎng)，需要注意的是由于性能的原因，光線追蹤只在游戲中應(yīng)用于發(fā)射面，如汽車面板和水坑，陰影仍然需要采用光柵化處理。盡管如此在游戲中啟用光線追蹤功能所帶來(lái)的巨大性能沖擊還是招致了一些產(chǎn)品評(píng)論者的批評(píng)，尤其是考慮到這款顯卡的購(gòu)買成本超過(guò)了1200英鎊——這是消費(fèi)級(jí)顯卡有史以來(lái)最高的價(jià)格。

值得注意的是“戰(zhàn)地5”是第一款支持RTX的上市游戲，Epic公司還承諾提供更多的技術(shù)支持，同時(shí)還宣布支持其廣泛使用的虛幻引擎，看著這些發(fā)展如何影響市場(chǎng)將是一件非常有趣的事情。

盡管圍繞著NVIDIA RTX顯卡的發(fā)行和游戲中的性能存在諸多問(wèn)題，但讓實(shí)時(shí)光線追蹤成為現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)值得關(guān)注的進(jìn)步，應(yīng)該受到每一個(gè)關(guān)心圖形技術(shù)發(fā)展的人的贊賞。

不同的架構(gòu)如何進(jìn)行比較？

Imagination公司最初推出的“Wizard”光線追蹤GPU結(jié)合了PowerVR Series6 GPU和光線追蹤單元（RTU），專用于加速光線追蹤，而且在智能手機(jī)功率范圍之內(nèi)（采用28nm工藝技術(shù)，相比現(xiàn)在的7nm工藝（提供更高的密度，功耗更低）落后很多）。我們的硬件比傳統(tǒng)的GPU能夠快100多倍，這使得光線追蹤第一次成為現(xiàn)實(shí)。Imagination公司在這方面領(lǐng)先于市場(chǎng)，到2016年已經(jīng)生產(chǎn)出集成到PCIe評(píng)估辦卡的器件，用于演示和開(kāi)發(fā)的目的。到目前為止PowerVR光線追蹤相關(guān)專利已經(jīng)超多220項(xiàng)，包括已經(jīng)授權(quán)和正在申請(qǐng)中的。

將Imagination的架構(gòu)與NVIDIA的解決方案進(jìn)行比較是非常有趣的，PowerVR光線追蹤在硬件上提供了一個(gè)場(chǎng)景層次生成器（SHG），SHG生成一個(gè)邊界體積層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以大大提高了檢測(cè)哪些三角形與哪些光線相交的效率。使用傳統(tǒng)蠻力的方式需要測(cè)試每個(gè)三角形和每一條光線，這在計(jì)算上代價(jià)太大而且無(wú)法做到實(shí)時(shí)執(zhí)行。

PowerVR光線追蹤

PowerVR場(chǎng)景層次結(jié)構(gòu)生成器將場(chǎng)景分割為一個(gè)由包圍框組成的層次結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是一個(gè)包含所有場(chǎng)景的框架，然后按層次將其分割為更小的模塊，直到最小的模塊包含數(shù)個(gè)三角形模型。這種分層方法通過(guò)檢查光線的交叉，然后反向追蹤直到找到正確的三角形，從而可以減少測(cè)試的數(shù)量。

雖然Imagination和NVIDIA的核心在硬件上都包含光線/模型盒的交集，并且都使用了包圍體層次結(jié)構(gòu)（BVH）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是在硬件上只有Imagination擁有場(chǎng)景層次生成器（SGH），這意味著我們能夠更有效的支持動(dòng)態(tài)幾何模型場(chǎng)景（比如游戲中的動(dòng)畫角色）。

PowerVR的另一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別點(diǎn)是可選擇模塊，稱為光線相關(guān)引擎（Ray Coherency Engine）。當(dāng)光線照射到三維場(chǎng)景中的天然材料時(shí)，它們往往會(huì)隨機(jī)散射，因此不太可能是相關(guān)的。這種隨機(jī)光線的行為意味著當(dāng)光線被處理時(shí)它們會(huì)在不同的方向碰撞和發(fā)散，從而與不同的盒子/三角形模型相交，這大大降低了內(nèi)存訪問(wèn)效率，從而降低了性能。相關(guān)引擎發(fā)現(xiàn)光線之間的共性，然后將它們組合在一起，從而提高芯片的運(yùn)行效率。

AMD目前還沒(méi)有推出專門用于光線追蹤的硬件，而且使用著色器來(lái)執(zhí)行所有光線追蹤計(jì)算，這樣就導(dǎo)致性能大大的降低了。

NVIDIA RTX

由于可以放入場(chǎng)景的光線數(shù)量有限，為了在可接受的幀率下產(chǎn)生高質(zhì)量的結(jié)果，需要對(duì)圖形進(jìn)行去噪處理，NVIDIA使用Tensor核心來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，而Imagination則使用PowerVR神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器（NNA）來(lái)執(zhí)行這一重要的后處理操作。

我們經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案是非常高效的，Wizard SoC僅需要2W的功率就可以正常運(yùn)行，而使用較老的28nm工藝技術(shù)構(gòu)建的演示板卡則需要10W左右的功率，以600MHz處理峰值速率為300MRay/sec。

NVIDIA聲稱圖形芯片在1.5GH/z時(shí)處理速率可達(dá)到8GRay/sec，是時(shí)鐘頻率的2.5倍，功率效率為225W。在2.5x時(shí)鐘條件下PowerVR光線追蹤性能可達(dá)到750MRay/sec，甚至還可以達(dá)到8GRay/sec的性能，因此我們可以合理的得出結(jié)論，我們?cè)诂F(xiàn)代SoC實(shí)現(xiàn)的解決方案將比NVIDIA的方案更加的高效節(jié)能。

AMD光線追蹤

想象一下其中的可能性！

現(xiàn)在光線追蹤的第一次嘗試已經(jīng)進(jìn)入到主流消費(fèi)者的視野，他們可能想要看到更多的進(jìn)展。一旦玩家開(kāi)始意識(shí)到光線追蹤所帶來(lái)的好處，他們就會(huì)希望自己的移動(dòng)設(shè)備、游戲機(jī)甚至汽車也能夠有同樣的體驗(yàn)，光線追蹤還可以為許多視覺(jué)體驗(yàn)帶來(lái)巨大的價(jià)值。廚房零售商可以進(jìn)行3D渲染，使客戶可以看到他們新買的產(chǎn)品，光線追蹤可以把展示效果提升到新的水平。

光線追蹤可以用于增強(qiáng)數(shù)字儀表和3D汽車模型的真實(shí)感，它可以從相機(jī)上獲取數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的將環(huán)境光反射到3D汽車模型上，這樣司機(jī)就可以更準(zhǔn)確的判斷距離。

雖然AR和VR應(yīng)用還沒(méi)有進(jìn)入到主流市場(chǎng)，但仍然有很多人相信它們最終會(huì)成為主流。當(dāng)涉及到VR時(shí)為了確保一切正常還需要可變采樣率（variable sample rates）和注視點(diǎn)渲染技術(shù)（foveated rendering），結(jié)合我們的混合光線追蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加的容易。

在本地處理還是放在云服務(wù)端？

雖然NVIDIA的解決方案專為功耗不高的游戲PC機(jī)而設(shè)計(jì)，但我們注冊(cè)專利的光線追蹤技術(shù)，設(shè)計(jì)理念以“移動(dòng)優(yōu)先”，是一種理想的選擇，可以從電池供電的設(shè)備（如智能手機(jī)）擴(kuò)展到便攜式或永久供電的游戲機(jī)平臺(tái)。

基于云計(jì)算的游戲也被廣泛預(yù)測(cè)將作為本地硬件的補(bǔ)充，并最終取代使用互聯(lián)網(wǎng)的高性能游戲架構(gòu)，為使用低配置的玩家提供高質(zhì)量的游戲體驗(yàn)。然而功耗成本和散熱管理是服務(wù)器集群面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。光線追蹤在這種情況下是非常有效的，事實(shí)上可以幫助更多基于云服務(wù)的游戲提升體驗(yàn)效果。游戲中每個(gè)玩家的狀態(tài)信息可以進(jìn)行實(shí)時(shí)更新然后發(fā)送給服務(wù)器上的其他玩家，光線追蹤技術(shù)用于生成每個(gè)玩家獨(dú)特的場(chǎng)景視角，而不是采用光柵化來(lái)處理每個(gè)視角中的幾何模型。這可以大大降低服務(wù)端的系統(tǒng)功耗，同時(shí)帶來(lái)驚人的視覺(jué)效果。

光線追蹤是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，有望徹底改變3D圖形技術(shù)的發(fā)展。Imagination公司推出的PowerVR光線追蹤是一種可廣泛使用的可授權(quán)的架構(gòu)，能夠支持獨(dú)立的光線追蹤處理器或者混合光線追蹤/光柵化平臺(tái)。如果你想要?jiǎng)?chuàng)建能夠以較低的成本和更高效的方式來(lái)展示最先的圖形效果的產(chǎn)品，那么你現(xiàn)在就應(yīng)該和Imagination取得聯(lián)系。