詳解PowerVR Wizard GR6500架構(gòu)的光線追蹤

Imagination素以移動(dòng)設(shè)備的芯片IP聞名，如智能手機(jī)和平板電腦，并在性能、功率及占用面積方面享有盛譽(yù)，且一直保有市場(chǎng)領(lǐng)先地位。為全方位發(fā)展，Imagination開(kāi)發(fā)了與光線追蹤相關(guān)的IP，而光線追蹤技術(shù)一直被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的“圣杯”，其使得超寫(xiě)實(shí)光照的開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單明了。Imagination的PowerVR Wizard GR6500架構(gòu)是圖形處理單元(GPU)的設(shè)計(jì)，集成了有效功能，使SoC制造商在移動(dòng)設(shè)備內(nèi)提供光線追蹤硬件成為現(xiàn)實(shí)。以下是Imagination早前在舊金山2017游戲開(kāi)發(fā)者大會(huì)上展示的視頻。

演示硬件

該演示使用的系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)PC組成，包含了一個(gè)具有相同硬件的開(kāi)發(fā)PCI卡，它們將一同集成在移動(dòng)設(shè)備上。PC運(yùn)行Ubuntu Linux。在生產(chǎn)中，移動(dòng)操作系統(tǒng)通常是Android。

在視頻中，我們也展示了硬件如何被第三方游戲引擎使用。游戲引擎是一個(gè)中間件，位于圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上，可以為個(gè)體游戲的美工和可玩性提供一個(gè)平臺(tái)。許多不同的商業(yè)游戲?qū)⑹褂孟嗤挠螒蛞妗Ｔ谖覀兊氖纠?，我們使用的第三方游戲引擎?Unreal Engine 4,用于許多AAA游戲，如Gear of War 4和最近的Final Fantasy。

此外，我們展示了Vulkan圖形API的使用。圖形API是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的介于圖形軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的接口。Vulkan API是一個(gè)相對(duì)較新的標(biāo)準(zhǔn)，使性能關(guān)鍵型應(yīng)用程序有更多低級(jí)控制的資源。該標(biāo)準(zhǔn)是由Khronos Group開(kāi)發(fā)，Imagination Technologies也參與其中。

視頻詳述

最初，視頻展示了Unreal Engine 4運(yùn)行Sun Temple的示例。這里，引擎使用Vulkan API后端與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序交互，進(jìn)而控制PowerVR Wizard GPU。

為了展示硬件光線跟蹤的功能，我們還運(yùn)行了一個(gè)基于Unreal Engine標(biāo)準(zhǔn)桌椅教程的場(chǎng)景。我們添加了一些對(duì)象到場(chǎng)景中，以此展示光線追蹤的優(yōu)勢(shì)。

最初，桌椅項(xiàng)目在標(biāo)準(zhǔn)(光柵)模式下運(yùn)行，使用的是通常用于移動(dòng)設(shè)備的Unreal Engine著色器。這段視頻展示了我們?nèi)绾问褂脽徭I在普通光柵模式和光線追蹤模式之間進(jìn)行切換。在光線追蹤模式下，可以在鏡子、桌面和地面上看到真實(shí)的反射。有了常規(guī)的著色器，反射通常都是在主渲染中應(yīng)用預(yù)渲染，有時(shí)也可以通過(guò)讀取場(chǎng)景的其他部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。除了特殊情況，這些反射都不是很準(zhǔn)確。光線追蹤則允許單一渲染中完全準(zhǔn)確的反射。

逼真的折射

同樣，你可以看到桌面花瓶的精確折射。相比之下，普通的著色器只是扭曲了現(xiàn)有的渲染。然而，這樣的屏幕空間技巧，無(wú)論是反射還是折射，都不能顯示任何不可視的對(duì)象。光線追蹤則提供了精確、準(zhǔn)確、真實(shí)的反射，即使是在一個(gè)扭曲的反射表面，如演示中的兩面鏡子。

陰影

光線追蹤也可以通過(guò)從表面向光源發(fā)射光線來(lái)實(shí)現(xiàn)陰影。規(guī)則的著色器會(huì)使用每個(gè)光線的陰影貼圖，但這些都需要一個(gè)預(yù)渲染。

視頻中演示的光線追蹤著色器是由Unreal Engine生成，就像它為常規(guī)渲染生成陰影一樣。我們對(duì)Unreal Engine 4做了稍許改動(dòng)，以生成著色器。但大多數(shù)材料屬性的代碼沒(méi)有改動(dòng)。這兩種類型的著色器都使用了Vulkan API，其光線追蹤著色器均根據(jù)需求使用了一組特定的擴(kuò)展。

光線追蹤的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是相機(jī)鏡頭和投影的靈活性。演示場(chǎng)景中展示的所有內(nèi)容都是光線追蹤的結(jié)果，包括從相機(jī)位置到第一個(gè)對(duì)象的光線。這些初始光線是由一個(gè)透鏡著色器生成——可編程的功能在常規(guī)光柵渲染中不可用。

透鏡著色器被用于幀緩沖的每一個(gè)像素，允許任意的鏡頭特征。

360°視頻

視頻演示的最后一部分展示了這種靈活性。它展示了所謂360°視頻的生成，在這個(gè)過(guò)程中，可以在單一的幀中顯示全球面的視圖。這些視頻都是實(shí)景和電腦圖形制作而成。它們可以通過(guò)VR頭盔或在線播放器觀看，讓您的視線可以在球面周圍平移。最后一部分展示了等量矩形投影渲染的桌椅對(duì)象。整個(gè)球形視圖被映射到平面渲染的矩形上，在直接查看時(shí)將生成一個(gè)相當(dāng)奇怪的圖像。然而，當(dāng)通過(guò)YouTube的VR觀看時(shí)，它會(huì)顯示為一個(gè)較小的片段，觀眾可以在其中進(jìn)行互動(dòng)。

總之，Imagination Technologies的PowerVR Wizard架構(gòu)從物理上提供了正確的反射、折射和陰影，且在移動(dòng)設(shè)備中使用時(shí)功耗很低。我們可以利用光線追蹤的靈活性，在單個(gè)渲染層中對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行著色，而不是多個(gè)渲染層所需的常規(guī)的基于光柵的渲染。它還完全支持用于標(biāo)準(zhǔn)渲染和光線跟蹤的Vulkan API(對(duì)API有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展)。