光線追蹤為游戲玩家和開發(fā)人員帶來哪些好處

Imagination在線課程上新！深入解讀業(yè)界首個(gè)移動(dòng)端光線追蹤GPU架構(gòu)

在上一篇文章中，我概述了新款I(lǐng)MG CXT GPU，并解釋了為什么它能夠在移動(dòng)功率預(yù)算中為常規(guī)光柵化和光線追蹤效果提供令人驚艷的性能。然而，即使光線追蹤成為桌面顯卡的新標(biāo)準(zhǔn)幾年后，仍有人質(zhì)疑為什么光線追蹤很重要。因此，在本文中，我們將快速了解它為游戲玩家和開發(fā)人員帶來的一些好處。

環(huán)境貼圖已成過去時(shí)

自3D圖形開始以來，開發(fā)人員一直在使用光柵化 ，因此他們非常擅長(zhǎng)使用它來“偽造”光照?qǐng)鼍耙簿筒蛔銥槠媪恕?/p>

要在游戲中創(chuàng)建陰影，需要?jiǎng)?chuàng)建“陰影貼圖”。這將測(cè)試像素是否在光源的視野內(nèi)，并且每個(gè)像素都必須由開發(fā)人員手動(dòng)放置到場(chǎng)景中。但是，陰影貼圖必須從每個(gè)光源的角度進(jìn)行渲染，存儲(chǔ)為紋理，然后重新投影到自身。正如我們?cè)诠饩€追蹤演示的下圖中所看到的，問題在于陰影貼圖會(huì)產(chǎn)生硬邊陰影并且缺乏精度，因此容易出現(xiàn)鋸齒，其中光線看到的像素與相機(jī)看到的像素不對(duì)應(yīng)。有一些方法可以解決這個(gè)問題，例如級(jí)聯(lián)陰影貼圖，但這些方法需要大量的幾何圖形和像素吞吐量才能以多種不同的分辨率渲染場(chǎng)景。

默認(rèn)情況下，陰影貼圖會(huì)創(chuàng)建外觀難看的鋸齒陰影

有了光線追蹤陰影，這一切都會(huì)消失——你可以從可見曲面上的每個(gè)點(diǎn)向光源發(fā)射光線。如果光線到達(dá)光源，則該表面被照亮，但如果光線在到達(dá)光線之前擊中任何東西，則該光線將被丟棄，這意味著該表面被陰影覆蓋。

光線追蹤允許產(chǎn)生細(xì)微、柔和的陰影，而不會(huì)降低分辨率

使用光線追蹤陰影，你可以不受分辨率的限制，因此你的陰影可以變得非常微妙、平滑和漫反射。這些被稱為柔和陰影。一個(gè)物體可以生成一個(gè)真正的pcastenumbra，其結(jié)果是它感覺自己好像真的在這個(gè)世界上。

你還可以獲得真實(shí)的接觸陰影——例如由場(chǎng)景中的對(duì)象準(zhǔn)確生成的陰影，這些陰影看起來似乎與對(duì)象相連——而不是使用陰影貼圖獲得的近似值。光線追蹤還提供動(dòng)態(tài)生成的照片級(jí)真實(shí)感陰影，而在此之前，你必須對(duì)其進(jìn)行預(yù)計(jì)算以獲得真實(shí)感。

標(biāo)準(zhǔn)陰影在場(chǎng)景中看起來像懸浮在地面上

更重要的是，當(dāng)光線追蹤陰影處理運(yùn)動(dòng)中的物體時(shí)，我們的人物在行走時(shí)會(huì)在地板上投射陰影。這種類型的效果使對(duì)象和角色看起來在場(chǎng)景中接觸地面，而不是脫節(jié)的，或者看起來是漂浮的。

光線追蹤還意味著開發(fā)人員可以取消立方體貼圖，消除常見問題，例如物體的光線溢出而不阻擋光源，并且你將看到物體的表面反射，這有助于將場(chǎng)景連接在一起。

光線追蹤陰影看起來更自然

節(jié)省空間的游戲玩家

能夠取消環(huán)境貼圖的附帶好處將是內(nèi)存更小的游戲。這些地圖本質(zhì)上是非常大的紋理，因此完全光線追蹤游戲的一個(gè)小但明顯的優(yōu)點(diǎn)是，下載和安裝的空間更小 ——這在移動(dòng)設(shè)備上可能很有價(jià)值，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)帶寬非常寶貴。

反射貼圖升級(jí)

目前游戲中最先進(jìn)的反射是屏幕空間反射（SSR），它可以實(shí)時(shí)提供動(dòng)態(tài)反射，但顧名思義，它只能在屏幕空間中反射——因?yàn)樗鼈冎环从秤^眾在當(dāng)時(shí)看到的東西。例如，這意味著在第一人稱射擊游戲中，如果你有一個(gè)場(chǎng)景，比如說，天空和樹木在水中反射，但你向下看，天空和樹木將不再反射，因?yàn)槟阍谄聊簧峡床坏剿鼈儭Ｏ喾矗鼘⒉坏貌换赝说讲痪_的反射圖，而這會(huì)降低真實(shí)感和沉浸感。

光線追蹤從根本上改變了這一點(diǎn)。它可以啟用屏幕空間之外的對(duì)象，這不僅增加了沉浸感，而且會(huì)對(duì)游戲的玩法產(chǎn)生重大影響。現(xiàn)在，你可以看到敵人從后面或側(cè)面向你襲來的反射，或者你可以使用反射面來查看周圍的角落。這可以提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，或者，如果游戲設(shè)計(jì)得很好，可以增加游戲的戲劇性。

全局照明

游戲中增加真實(shí)感的一種流行技術(shù)是全局照明，它模擬光線在多個(gè)表面上反彈到其它對(duì)象的光或陰影。這樣做的好處是更細(xì)致、更準(zhǔn)確地觀察世界。

這對(duì) GPU 實(shí)時(shí)性要求很高，但很自然，高效的光線追蹤器是更高效、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的首選。光線追蹤全局照明（RT GI）為逼真效果提供了最佳選擇，除了光線追蹤陰影和反射之外，場(chǎng)景中的對(duì)象相互影響。正如在演示的屏幕截圖中所看到的，RT GI 在一些區(qū)域提供了額外的陰影，例如在大型銀色圓柱體和管道之間，在墻壁上產(chǎn)生陰影。不僅如此，表面還呈現(xiàn)出反射到這些表面上的光的顏色，使它們具有更溫暖、更真實(shí)的色調(diào)，所有這些都賦予了圖像真實(shí)的深度和沉浸感。

節(jié)省時(shí)間

光線追蹤除了為最終用戶帶來的所有視覺增強(qiáng)功能外，也許最大的粉絲應(yīng)該是開發(fā)人員自己。假設(shè)他們可以創(chuàng)建僅針對(duì)光線追蹤 GPU 的游戲，他們可以節(jié)省大量時(shí)間，而不必創(chuàng)建我們之前描述的環(huán)境貼圖。

在由傳統(tǒng)光柵化技術(shù)照明的游戲中，美術(shù)師必須在場(chǎng)景周圍手動(dòng)放置補(bǔ)光燈。為了模仿“反彈照明”，就像在會(huì)受到燈光間接影響的照明區(qū)域一樣，游戲美術(shù)師必須在場(chǎng)景中放置所有補(bǔ)光燈——基本上是通過眼睛，然后手動(dòng)調(diào)整燈光的顏色和強(qiáng)度，使其看起來很真實(shí)——這都非常耗時(shí)。此外，如果出于任何原因需要更換燈光，則必須重新進(jìn)行整個(gè)過程。

使用光線追蹤全局照明，開發(fā)人員需要做的就是打開它，整個(gè)房間就會(huì)充滿光線。這不僅節(jié)省了大量的工作時(shí)間，而且在物理上更準(zhǔn)確、更有說服力。如果需要更改任何內(nèi)容，它無需額外工作即可動(dòng)態(tài)更新。這就是光線追蹤帶來的益處。

光線追蹤反射和陰影為3D 圖像增添了真實(shí)感

用戶生成的內(nèi)容

同樣，想象一下模型師創(chuàng)建自己的新游戲。問題在于，這些自制關(guān)卡的照明效果很差，因?yàn)闆]有原始游戲開發(fā)商創(chuàng)建的預(yù)烘焙照明。但是，通過實(shí)時(shí)光線追蹤硬件，場(chǎng)景的照明可以在設(shè)備加載時(shí)在設(shè)備上實(shí)時(shí)完成，這意味著用戶創(chuàng)建的內(nèi)容可以有效地與專業(yè)游戲內(nèi)容一樣好——至少在照明方面如此。在計(jì)算照明時(shí)可能會(huì)有一點(diǎn)延遲，但質(zhì)量水平的提高將使這一點(diǎn)很超值。

結(jié)論

通過光線追蹤，我們可以看到視覺質(zhì)量和工作流程的好處，這在很多方面都是緊密聯(lián)系在一起的。開發(fā)人員獲得了顯著的生產(chǎn)力提升，并能夠以新的方式設(shè)計(jì)游戲以充分利用其可能性，而最終用戶則可以獲得更好看、更沉浸式的世界。

因此，我們很高興將 IMG CXT 推向市場(chǎng)。我們的 CXT 48-1536 RT3 內(nèi)核提供 48 GTexels/s（相當(dāng)于1.5 TFLOPS FP32）的卓越光柵化性能，與 1.3Gray/s 或更高的性能緊密結(jié)合。它還可以提供 6 TOPS 的 AI性能，以實(shí)現(xiàn)良好的功耗平衡——所有這些都在大約 1-2 瓦的移動(dòng)功率預(yù)算內(nèi)。

這就是為什么我們可以確定，使用該 GPU IP 的設(shè)備能夠提供至少與我們目前在PC機(jī)和游戲機(jī)上享受同等水平的視覺質(zhì)量——幀率在 30 到 60fps 之間，具體取決于目標(biāo)分辨率。

正如Imagination在智能手機(jī)革命開始時(shí)使移動(dòng)游戲成為可能一樣，通過CXT，我們?cè)俅沃匦露x了移動(dòng)圖形的可能性——當(dāng)然，這只是開始。

原文標(biāo)題：為什么游戲玩家和開發(fā)者應(yīng)該關(guān)心光線追蹤

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