移動(dòng)端的光線(xiàn)追蹤是如何實(shí)現(xiàn)的

對(duì)于光線(xiàn)追蹤（ray tracing）這一概念，電腦游戲玩家肯定是不陌生的。光線(xiàn)追蹤給游戲畫(huà)面展示帶來(lái)了更為細(xì)膩的光照表現(xiàn)和寫(xiě)實(shí)的光影效果，在電視節(jié)目和電影制作中也有廣泛應(yīng)用。

從定義上看，光線(xiàn)追蹤是一個(gè)在二維（2D）屏幕上呈現(xiàn)三維（3D）圖像的方法。這樣的定義可能比較抽象，實(shí)際上光線(xiàn)追蹤就是為了計(jì)算出光線(xiàn)發(fā)出后經(jīng)過(guò)一系列衰減（吸收、反射和折射）再進(jìn)入人眼時(shí)的現(xiàn)實(shí)情況，并將其復(fù)現(xiàn)在屏幕上，讓人從屏幕上有一種身臨其境的感覺(jué)。

在一種逼真寫(xiě)實(shí)的環(huán)境玩游戲，想來(lái)就覺(jué)得很酷。現(xiàn)在，移動(dòng)端的游戲玩家可以不用羨慕電腦游戲玩家了。近日，Imagination Technologies 宣布推出旗艦款圖形處理器（GPU）知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）產(chǎn)品IMG CXT，同時(shí)其PowerVR Photon光線(xiàn)追蹤架構(gòu)也隨該IP首次亮相。通過(guò)增加Photon硬件光線(xiàn)追蹤功能，IMG CXT實(shí)現(xiàn)了GPU IP的又一次重大飛躍，能夠?yàn)橛螒蚝推渌麍D形處理應(yīng)用場(chǎng)景提供令人難以置信的性能。Photon 是業(yè)界最先進(jìn)的光線(xiàn)追蹤架構(gòu)，可以為移動(dòng)和嵌入式應(yīng)用帶來(lái)桌面級(jí)質(zhì)量的視覺(jué)效果，并已在多個(gè)市場(chǎng)中進(jìn)行了授權(quán)。

移動(dòng)端的光線(xiàn)追蹤是如何實(shí)現(xiàn)的？

實(shí)際上，光線(xiàn)追蹤概念的提出至今已經(jīng)有數(shù)十年，上世紀(jì)60年代便由一個(gè)叫數(shù)學(xué)應(yīng)用組的組織中的科學(xué)家提出，然后從DirectX 10時(shí)代開(kāi)始進(jìn)入電腦游戲中。但是，在電腦游戲中實(shí)現(xiàn)光線(xiàn)追蹤需要大量的算力支撐。

從另一角度來(lái)看，高算力就會(huì)帶來(lái)更高的能耗，對(duì)于移動(dòng)端這種能效要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，光線(xiàn)追蹤真的合適嗎？

Imagination中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略市場(chǎng)與生態(tài)副總時(shí)昕博士在發(fā)布會(huì)上表示，傳統(tǒng)光線(xiàn)追蹤的做法屬于RTLS 0級(jí)或1級(jí)，也可稱(chēng)之為L(zhǎng)evel 0或者Level 1級(jí)，是基于現(xiàn)有硬件通過(guò)GPU軟件算法實(shí)現(xiàn)的光線(xiàn)追蹤，IMG CXT采用的Photon架構(gòu)處于RTLS的4級(jí)（Level 4），是當(dāng)前業(yè)內(nèi)可用的最先進(jìn)的光線(xiàn)追蹤技術(shù)。

2020年9月22日，Imagination對(duì)外宣布了一套光線(xiàn)追蹤等級(jí)系統(tǒng)（Ray Tracing Levels System），旨在幫助開(kāi)發(fā)人員和原始設(shè)備制造商（OEM）清晰了解現(xiàn)在和未來(lái)可用的光線(xiàn)追蹤加速解決方案的功能。

這個(gè)光線(xiàn)追蹤等級(jí)系統(tǒng)共包含6個(gè)等級(jí)，它們的功能和要求如下：

Level 0：傳統(tǒng)解決方案

Level 1：傳統(tǒng)GPU上的軟件

Level 2：硬件中的光線(xiàn)/方框和光線(xiàn)/三角形測(cè)試器

Level 3：硬件中的邊界體積層次結(jié)構(gòu)（Bounding Volume Hierarchy，BVH）處理功能

Level 4：硬件中的BVH處理和一致性排序功能

Level 5：硬件中帶有場(chǎng)景層次生成器（Scene Hierarchy Generation，SHG）的一致性BVH處理功能

從該分級(jí)系統(tǒng)不難看出，從L2級(jí)開(kāi)始，光線(xiàn)追蹤的性能提升開(kāi)始依賴(lài)硬件架構(gòu)和硬件性能的提升。

時(shí)昕博士指出，在Photon架構(gòu)中，Imagination提供緊密集成在CXT中的光線(xiàn)加速集群（RAC）。IMG CXT-48-1536 RT3 內(nèi)核具有三個(gè)RAC，可提供總體高達(dá)1.3 GRay/s的性能。與 Imagination的上一代 GPU IP 相比，實(shí)現(xiàn)計(jì)算和紋理性能提高50%，幾何性能提高50%。

從時(shí)昕博士的解讀不難看出，L4級(jí)光線(xiàn)追蹤實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步是RAC?！癛AC是一種新的低功耗專(zhuān)用硬件GPU組件，包含了光線(xiàn)存儲(chǔ)（Ray Store）、光線(xiàn)任務(wù)調(diào)度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并與兩個(gè)統(tǒng)一著色器集群（USC）緊密耦合，USC擁有高速專(zhuān)用數(shù)據(jù)通路，可以實(shí)現(xiàn)最高效且功耗最低的光線(xiàn)追蹤部署。相比效率較低的光線(xiàn)追蹤架構(gòu)，RAC可以加速和卸載更多來(lái)自著色器內(nèi)核的光線(xiàn)追蹤計(jì)算?！彼麑?duì)此講到。

介紹資料顯示，在算力表現(xiàn)上，Imagination全新旗艦款移動(dòng)內(nèi)核能夠提供：

1.5 TFLOPS FP32

48 GTexel/s

1.3 GRay/s

48 GBoxTest/s

6.0 TOPS

另外，IMG CXT-48-1536 RT3 內(nèi)核完全支持Vulkan的光線(xiàn)追蹤技術(shù)，采用光線(xiàn)查詢(xún)和光線(xiàn)管線(xiàn)雙融合，進(jìn)而提供更真實(shí)的陰影、反射和全局照明效果。

同時(shí)，Imagination還表示，得益于Imagination的多核技術(shù)，Photon架構(gòu)可以擴(kuò)展應(yīng)用于云、數(shù)據(jù)中心和PC市場(chǎng)。這可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 9 TFLOPS的FP32光柵化性能和超過(guò)7.8 GRay/s的光線(xiàn)追蹤性能，同時(shí)能夠提供比當(dāng)今的L2級(jí)或L3級(jí)光線(xiàn)追蹤解決方案高2.5倍的功耗效率。

會(huì)給移動(dòng)端帶來(lái)怎樣的效果？

IMG CXT-48-1536 RT3 內(nèi)核的出現(xiàn)是首次在移動(dòng) IP上實(shí)現(xiàn)了桌面級(jí)質(zhì)量的光線(xiàn)追蹤視覺(jué)效果，那么其效果如何呢？

Imagination技術(shù)前瞻副總裁 Kristof Beets表示，目前 IMG CXT、PowerVR Photon 光線(xiàn)追蹤架構(gòu)已經(jīng)授權(quán)給了數(shù)個(gè)合作伙伴，但在具體產(chǎn)品發(fā)布前無(wú)法透露。這一周期通常要 18~24 個(gè)月，如果客戶(hù)在今年獲取了這個(gè)IP授權(quán)，接著進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)和流片，這個(gè)客戶(hù)的最終產(chǎn)品最早會(huì)在2023年上市，消費(fèi)者才可以體驗(yàn)到相關(guān)的硬件光線(xiàn)追蹤解決方案。

雖然方案還沒(méi)有上市，我們還是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示看到了一個(gè)對(duì)比細(xì)節(jié)，

Imagination首席執(zhí)行官Simon Beresford-Wylie表示：“作為智能手機(jī)變革的關(guān)鍵推動(dòng)力量，Imagination在將先進(jìn)的3D圖形處理功能引入移動(dòng)設(shè)備方面有著杰出的成績(jī)。我們?cè)诟咝Ч饩€(xiàn)追蹤方面所實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新是我們發(fā)展過(guò)程中的又一次重要邁進(jìn)，它為移動(dòng)圖形處理行業(yè)創(chuàng)造了一種全新的能力。我們很高興能與自己的伙伴合作，實(shí)現(xiàn)將逼真的圖形內(nèi)容帶入您掌中設(shè)備的愿景?！?/p>

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