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光线追踪等级系统加速 塑造电玩游戏新定义
 

【作者: Imagination Technologies】2021年07月06日 星期二

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如果关注图形市场,就会注意到,光线追踪在业界已经引起了很大的骚动。该技术是三维场景中渲染光线的新范例,为游戏玩家和开发人员提供了诸多好处。


对玩家来说,它在游戏中所实现的光线效果更自然、更贴近真实世界,因此能为玩家们带来更隹的真实感和沉浸感,这是创建真正逼真游戏的关键,而对开发人员来说,它则是提供了一种更简单、更高效的照明方式。这是因为反射和阴影等效果(使用传统栅格化难以模拟)在使用光线追踪演算法时,可以更自然地显示。



图一 : 光线追踪的显示效果,(上)连贯式:完美表面;(下)发散式:真实素材。
图一 : 光线追踪的显示效果,(上)连贯式:完美表面;(下)发散式:真实素材。

虽然将光线追踪称为新事物,其实从三维图形概念来看,光线追踪可以追溯到1968年,其後相关概念逐步发展。由於近几年图像即时渲染所需的运算复杂性提高,光线追踪的热度又再次的被关注。


目前,针对Windows系统桌面级PC的第二代光线追踪显卡刚上市,实现了首次支援光线追踪效果的4K显示,同时下一代游戏机也可??具备光线追踪功能。


光线追踪引发如此大的轰动,甚至现今的游戏主机也开始跟着动了起来,例如,经典游戏《荒岛求生》正重新制作中以运用光线追踪效果,使其即使在没有光线追踪特定硬体支援的较旧型显示卡和游戏主机上也可以运行。


光线追踪等级系统功能及效率

尽管越来越多硬体开始支援光线追踪,但许多人并没有意识到,市场上具备光线追踪功能的硬体并非全然相同。Imagination Technologies投入光线追踪领域多年,并早於2016年便发表一个开发板,其工作硬体比目前市场上的解决方案更为复杂。


为了帮助业界了解各种解决方案之间的差异,Imaginantion创建了光线追踪等级系统(Ray Tracing Levels System),可针对一系列架构不仅是自家的PowerVR Ray Tracing,更对光线追踪加速的先进功能进行等级监别,每提升一个等级,就表示可提供更高的性能和更隹的硬体使用率。光线追踪等级系统区分成0~5级,其中包括:


· 等级0:传统解决方案


· 等级1:传统GPU上的软体


· 等级2:硬体中的光线/方框和光线/三角形测试器


· 等级3:硬体中的边界体积层次结构(Bounding Volume Hierarchy;BVH)处理功能


· 等级4:硬体中的BVH处理和一致性排序功能


· 等级5:硬体中具备场景层次产生器(Scene Hierarchy Generation;SHG)的一致性BVH处理功能


从0级到5级,随着等级的提升,光线追踪功能更着重效率。不过,市场上有些产品并非都是以效率为基础。例如,近期发表具备第二代光线追踪功能的桌面级PC,只是简单透过提供更多光线追踪处理单元以提高性能,而这需要更大的矽面积和更高的功耗。然而对於像行动装置这类需考虑电源限制的产品来说,这样的方案虽简单,但并非有效的选择。



图二 : 在等级4光线追踪硬体上,可以每秒60帧的速率产成逼真的动态阴影图像。
图二 : 在等级4光线追踪硬体上,可以每秒60帧的速率产成逼真的动态阴影图像。

在游戏主机上,我们可以看到光线追踪使用效果的有限展示,这是因为硬体无法高效处理许多复杂效果。例如,在首发游戏的展示中,看到一个物体投射到地板上的反射光。但是,一旦该物体被销毁,反射就会瞬间消失。这是因为无法足够快地更新场景几何体,而这需要硬体级的场景层次结构产生器,即对应上述的等级5解决方案。


同样地,在一些早期游戏当中,可以看到单一反弹反射和低解析度反射的画面,因为如果没有硬体级一致性排序的BVH处理(对应等级4解决方案),这些效果的计算代价过高或是执行效率过低。


理解光线追踪体系结构非常重要,而目前市场上对於光线追踪性能的行销宣传越来越强调性能指标。刚开始,每秒10亿光线的宣传点或许会令人印象深刻,但实际上却有些苍白无力。因为这其中会出现因GPU处理资源使用率低而导致的低效,或是由於记忆体存取模式不一致而导致的记忆体存取受限。


关於光线追踪等级系统,期待SoC设计人员能让此种为游戏带来变革的技术可将低效率、高功耗的硬体转变为面积和功耗均更优的装置,进而使手游玩家享受到令人难以置信、逼真的游戏效果,获得更隹的沉浸式体验。


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