作者：BENNY HAR-EVEN

導(dǎo)語(yǔ)：不久前，Imaginantion 發(fā)布了光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)（Ray Tracing Levels System），該系統(tǒng)面向一系列架構(gòu)，不僅是Imagination的PowerVR Ray Tracing，它可以對(duì)光線追蹤加速的先進(jìn)功能進(jìn)行等級(jí)鑒別，每提升一個(gè)等級(jí)就表示可以提供更高的性能和更佳的硬件利用率。本文中，您將更清楚地了解光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)，以及它對(duì)游戲的重大意義。

如果你關(guān)注圖形市場(chǎng)，你會(huì)注意到，光線追蹤在業(yè)內(nèi)引起了很大的轟動(dòng)。該技術(shù)是三維場(chǎng)景中渲染光線的新范例，為游戲玩家和開(kāi)發(fā)人員都提供了諸多好處。

對(duì)玩家來(lái)說(shuō)，它在游戲中所實(shí)現(xiàn)的光線效果更自然、更貼近真實(shí)世界，從而為玩家?guī)?lái)更佳的真實(shí)感和沉浸感，這是創(chuàng)建真正逼真游戲的關(guān)鍵一步; 對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，它提供了一種更簡(jiǎn)單、更高效的照明方式。這是因?yàn)榉瓷浜完幱暗刃Чㄊ褂脗鹘y(tǒng)柵格化難以模擬）在使用光線追蹤算法時(shí)可以更自然地顯示。

當(dāng)然，雖然我們將光線追蹤稱為新事物，但從三維圖形概念來(lái)看，它可以追溯到 1968 年，并逐步發(fā)展。而由于近幾年圖像實(shí)時(shí)渲染所需的計(jì)算復(fù)雜性加大，光線追蹤又變得熱門起來(lái)。

目前，面向Windows系統(tǒng)桌面級(jí)PC的第二代光線追蹤顯卡剛剛上市，實(shí)現(xiàn)首次支持光線追蹤效果4K顯示，同時(shí)下一代游戲機(jī)也有望具備光線追蹤功能，并于今年年底上市。

光線追蹤引發(fā)如此大的轟動(dòng)，甚至當(dāng)代游戲主機(jī)也開(kāi)始行動(dòng)起來(lái)，經(jīng)典游戲《孤島危機(jī)》正在重新制作以使用光線追蹤效果，使其即使在沒(méi)有光線追蹤特定硬件支持的較舊顯卡和游戲主機(jī)上也可以運(yùn)行。

盡管越來(lái)越多硬件開(kāi)始支持光線追蹤，但許多人并沒(méi)有意識(shí)到，市場(chǎng)上具備光線追蹤功能的硬件并非全都一樣。Imagination Technologies 多年來(lái)一直在光線追蹤領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，早在2016 年就發(fā)布一個(gè)開(kāi)發(fā)板，其工作硬件比當(dāng)前市場(chǎng)的解決方案更為復(fù)雜。

為了幫助業(yè)界了解各種解決方案之間的差異，我們創(chuàng)建了光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)———從 0 級(jí)到 5 級(jí)。這包括：

• 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/方框和光線/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0級(jí)到5級(jí)，隨著等級(jí)的提升，光線追蹤功能會(huì)更加注重效率。不過(guò)，市場(chǎng)上有的產(chǎn)品并非都是以效率為基礎(chǔ)。例如，最近發(fā)布的具備第二代光線追蹤功能的桌面級(jí)PC，只是簡(jiǎn)單通過(guò)提供更多光線追蹤處理單元以提高性能，而這需要更大的硅面積和更高的功耗。但是，對(duì)于像移動(dòng)設(shè)備這類需考慮電源限制的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這樣的方案簡(jiǎn)單粗暴，并不是有效選擇。

在游戲主機(jī)上，我們可以看到光線追蹤使用效果的有限展示，這是因?yàn)橛布o(wú)法高效處理很多復(fù)雜效果。例如，在首發(fā)游戲的演示中，我們看到一個(gè)物體投射到地板上的反射光。

但是，一旦該物體被銷毀，反射就會(huì)瞬間消失。這是因?yàn)闊o(wú)法足夠快地更新場(chǎng)景幾何體，而這需要硬件級(jí)的場(chǎng)景層次結(jié)構(gòu)生成器，即對(duì)應(yīng)上述的等級(jí)5解決方案。同樣地，在一些早期游戲中，我們可以看到單一反彈反射和低分辨率反射的畫(huà)面，因?yàn)槿绻麤](méi)有硬件級(jí)一致性排序的BVH處理（對(duì)應(yīng)等級(jí) 4 解決方案），這些效果的計(jì)算代價(jià)過(guò)高或是執(zhí)行效率過(guò)低。

理解光線追蹤體系結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，而當(dāng)前市場(chǎng)上，對(duì)于光線追蹤性能的營(yíng)銷宣傳越來(lái)越強(qiáng)調(diào)性能指標(biāo)。剛開(kāi)始，每秒10億光線的宣傳點(diǎn)或許會(huì)令人印象深刻，但實(shí)際上有些蒼白無(wú)力。因?yàn)檫@其中會(huì)出現(xiàn)因GPU處理資源使用率低而導(dǎo)致的低效，或是由于內(nèi)存訪問(wèn)模式不一致而導(dǎo)致的內(nèi)存訪問(wèn)受限。硬件體系結(jié)構(gòu)如何幫助解決這些復(fù)雜的問(wèn)題在我們的高級(jí)版本中有解釋，請(qǐng)查閱以獲取更多信息。

以上就是關(guān)于光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)的介紹。我們期待SoC 設(shè)計(jì)人員能夠讓這種為游戲帶來(lái)變革的技術(shù)，可以將低效率、高功耗的硬件轉(zhuǎn)變?yōu)槊娣e和功耗均更優(yōu)的設(shè)備，從而讓移動(dòng)游戲玩家享受到令人難以置信的、逼真的游戲效果，獲得更佳的沉浸式體驗(yàn)。

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