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| 本文作者： 包永剛 | 2021-11-09 10:28 |
智能手機(jī)的全面普及，以及手機(jī)性能的持續(xù)提升，帶來了手機(jī)游戲市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。即便在整個(gè)游戲市場(chǎng)收入整體小幅下滑的2021年，手游表現(xiàn)依舊強(qiáng)勁。
Newzoo今年7月發(fā)布的《2021年全球游戲市場(chǎng)報(bào)告》預(yù)測(cè)，移動(dòng)游戲市場(chǎng)將在2021年產(chǎn)生907億美元的收入，同比增長(zhǎng)4.4%，這部分收入將占全球游戲市場(chǎng)總收入的一半以上。
手游市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，除了玩手游更加便捷之外，體驗(yàn)不斷接近桌游也是關(guān)鍵。最近幾年，光線追蹤進(jìn)一步提升了游戲體驗(yàn)。2018年，英偉達(dá)發(fā)布了十多年來在計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域的重要?jiǎng)?chuàng)新——圖靈GPU架構(gòu)，首次將光線追蹤帶入桌面級(jí)市場(chǎng)。
2021年11月，Imagination也發(fā)布了代表其十年來推動(dòng)光線追蹤在低功耗設(shè)備上應(yīng)用的發(fā)展成果PowerVR Photon光線追蹤架構(gòu)，首款GPU IP IMG CXT也一同亮相。這是業(yè)界首次在移動(dòng) IP上實(shí)現(xiàn)了桌面級(jí)質(zhì)量的光線追蹤視覺效果，也是全球首款在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)硬件光線追蹤的GPU。
雷峰網(wǎng)了解到，基于PowerVR Photon光線追蹤架構(gòu)的終端產(chǎn)品有望最早在2023年上市，這就意味著，手游玩家也將享受到光追游戲體驗(yàn)，手游市場(chǎng)的變革時(shí)刻也即將到來。
移動(dòng)設(shè)備上的光線追蹤效果如何？
光線追蹤的目的是通過模擬真實(shí)世界中光線的表現(xiàn)，創(chuàng)造出與現(xiàn)實(shí)生活幾乎無異的三維（3D）場(chǎng)景。光線追蹤不是新鮮事物，在許多電影中已經(jīng)有所應(yīng)用，比如《玩具總動(dòng)員4》的開場(chǎng)鏡頭中，雨坑里反射的光線就是光線追蹤渲染的效果，《阿凡達(dá)》《頭號(hào)玩家》《失控玩家》等電影也運(yùn)用了光線追蹤。
但是，光線追蹤在游戲中還非常新鮮，這是因?yàn)楣饩€追蹤涉及巨大的計(jì)算量，桌面級(jí)和移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算能力無法滿足所需的高計(jì)算負(fù)載。2018年，英偉達(dá)的圖靈架構(gòu)GPU打破了瓶頸，將光線追蹤技術(shù)引入桌面級(jí)游戲市場(chǎng)。
實(shí)際上，Imagination在光線追蹤方面的研究也有大概十年的時(shí)間，2014年就采用28nm工藝就設(shè)計(jì)測(cè)試了一款光線追蹤GPU。
“當(dāng)時(shí)整個(gè)生態(tài)還沒有準(zhǔn)備好，圖形API也沒有與光線追蹤相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。”Imagination中國(guó)區(qū)戰(zhàn)略市場(chǎng)與生態(tài)副總時(shí)昕說，“從2018年桌面級(jí)GPU公司開始推出PC上的光線追蹤開始，整個(gè)業(yè)界生態(tài)開始投入，在2020年Khronos圖形標(biāo)準(zhǔn)化組織也推出了Vulkan API的光線追蹤Extension，我們認(rèn)為推出具有光線追蹤功能的芯片的時(shí)機(jī)已經(jīng)到來。”
將光線追蹤引入移動(dòng)端，效果自然要向桌面級(jí)看齊。用一個(gè)直觀的例子來展示Imagination實(shí)現(xiàn)的光線追蹤效果，沒有光線追蹤的情況下，物體之間的反射并不能很好的呈現(xiàn)，比如圖片中的罐子，開啟光線追蹤功能后墻面的綠色從反光材料上反射出來，所有物體都具有柔和的反射效果。
開啟光線追蹤，陰影的部分也會(huì)變得非常柔和，幾乎看不見，但巧妙地增加了照明的真實(shí)感，更接近現(xiàn)實(shí)世界。
還有，光線追蹤中的全局照明，能為場(chǎng)景中的物體增加出色的環(huán)境照明效果，實(shí)現(xiàn)最真實(shí)的照明。
如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端光追性能和功耗的平衡？
實(shí)際上，想要在已有的移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)光線追蹤功能并非不可能。
“采用軟件方案也能在移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)光線追蹤效果，但那只能在演示當(dāng)中，如果應(yīng)用于游戲，效果一定不太好。” Imagination技術(shù)前瞻副總裁Kristof Beets 指出，“因?yàn)檫@種方案沒辦法在功耗和效果之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡，軟件仍然要使用大量的計(jì)算資源用于陰影和多邊形的貼圖。”
為了更直觀反映實(shí)現(xiàn)光線追蹤不同方案及效果的差別，Imagination對(duì)光線追蹤進(jìn)行了分級(jí)，建立了光線追蹤等級(jí)系統(tǒng)（RTLS）：
1級(jí)為現(xiàn)有硬件上的軟件解決方案。性能低，效率低。
2級(jí)增加了用于光線追蹤的第一部分硬件。與1級(jí)相比，可以將基本光線追蹤效果的效率提高44倍。
3級(jí)增加了用以處理發(fā)射光線的硬件，與2級(jí)解決方案相比，可大大降低功耗。
4級(jí)增加了相干性聚集功能，針對(duì)復(fù)雜的桌面級(jí)效果大大提升了性能，讓其可以在移動(dòng)端功耗預(yù)算下應(yīng)用。
5級(jí)是一項(xiàng)未來等級(jí)，可在場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)更大數(shù)目的動(dòng)態(tài)目標(biāo)，并帶有額外的硬件加速。
Imagination新發(fā)布的CXT GPU IP是一個(gè)RTLS 4級(jí)的光追產(chǎn)品，目前業(yè)界的其它移動(dòng)端解決方案為RTLS 1級(jí)。Imagination能夠?qū)崿F(xiàn)RTLS 4級(jí)光追的核心是IMG CXT-48-1536 RT3 內(nèi)核具有三個(gè)光線加速集群（RAC），可提供總體高達(dá)1.3 GRay/s的性能，即使在移動(dòng)設(shè)備低功耗的情況下，也能以1080P分辨率實(shí)現(xiàn)30~60FPS的實(shí)時(shí)光線追蹤渲染，滿足日常游戲高端需求。
RAC包含了光線存儲(chǔ)（Ray Store）、光線任務(wù)調(diào)度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并與兩個(gè)128寬的統(tǒng)一著色器集群（USC）緊密耦合，著色器集群有高速專用數(shù)據(jù)通路，可以實(shí)現(xiàn)高效且功耗最低的光線追蹤部署。
時(shí)昕解釋，“很多光追算法用傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)效率很低，用過專門的硬件單元，比如RAC，效率成倍提升。”
Imagination給出的數(shù)據(jù)顯示，在光柵化圖形處理性能方面，最新的CXT與Imagination的上一代GPU IP相比，計(jì)算、紋理和幾何性能都提高了50%。
功耗方面，得益于低功耗超標(biāo)量（superscalar）架構(gòu)可在低時(shí)鐘頻率下提供高性能，從而實(shí)現(xiàn)更高的幀率功耗比（FPS/W）效率，Imagination圖像壓縮（IMGIC）技術(shù)也可以大幅降低帶寬需求。
高性能和低功耗看似對(duì)立，但實(shí)際并不矛盾。
“以前在復(fù)雜場(chǎng)景的光照效果，包括反射、陰影、全局照明等，都要靠著色器一個(gè)個(gè)去模擬計(jì)算，我們的CXT把渲染的負(fù)載轉(zhuǎn)移到更為專用的硬件上面，效率更高的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低功耗。” Kristof Beets解釋。
當(dāng)然，討論光線追蹤的性能和功耗不能拋開技術(shù)路線。光線追蹤有兩種方式來實(shí)現(xiàn)，一種是用光線查詢的方式，一種是用光線管線的方式，這兩種方式都需要計(jì)算10億條及更多數(shù)量的光線。
光線管線的方式是計(jì)算光源發(fā)射出的光子，碰到場(chǎng)景當(dāng)中物體的反射、折射等反應(yīng)，最終達(dá)攝像機(jī)位或者游戲玩家的眼睛。光線查詢方式就是反過來，從攝像機(jī)位或游戲玩家的角度，計(jì)算出光源。
“光線查詢浪費(fèi)的計(jì)算比較少，所以有功耗優(yōu)勢(shì)，但是技術(shù)難度也更大一些。目前很多宣稱有光線追蹤技術(shù)大部分是用光線管線實(shí)現(xiàn)，Imaginatiom同時(shí)支持光線管線和光線查詢兩種方式，客戶和合作伙伴可以自由選擇。”時(shí)昕表示。
光追普及的關(guān)鍵是生態(tài)
Kristof Beets說，“基于我們十多年在光線追蹤方面的投入和積累，我們可以推出RTLS 5級(jí)的產(chǎn)品。之所以現(xiàn)階段推出RTLS 4級(jí)產(chǎn)品，主要是出于市場(chǎng)考量。我們跟市面上的光線追蹤開發(fā)者溝通后發(fā)現(xiàn)，如果我們成為市場(chǎng)上唯一提供RTLS 5級(jí)光線追蹤硬件的公司，不會(huì)有多少開發(fā)者來開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用。”
先推出RTLS 4級(jí)光追產(chǎn)品培育市場(chǎng)，比如說游戲的3D引擎、游戲開發(fā)者，再慢慢把光線追蹤市場(chǎng)做大。Imagination推出GPU IP的同時(shí)也推出了軟件開發(fā)套件PVRTune工具，可以支持開發(fā)者查看底層的光線追蹤計(jì)數(shù)器，例如：每秒的光線數(shù)、包圍盒測(cè)試器負(fù)載、緩存命中率、每秒遍歷（遞歸）的光線數(shù)等，還可以模擬CXT的功能和行為，降低使用者門檻。
這也容易理解，Imagination在2014年就測(cè)試了其光線追蹤的技術(shù)和硬件，但并沒有推出產(chǎn)品的原因也是生態(tài)原因。處理器的成功離不開整個(gè)生態(tài)，包括接口、工具等。Imagination作為IP提供商，并不直接出售芯片及解決方案，想要直接推動(dòng)光線追蹤的發(fā)展難度很大，只能等有一定的生態(tài)基礎(chǔ)后，再推出相關(guān)產(chǎn)品。
“在標(biāo)準(zhǔn)化方面，我們大量參與了與微軟的溝通和討論，在此基礎(chǔ)上，再繼續(xù)提升GPU架構(gòu)。”Kristof Beets說。
未來幾年，移動(dòng)市場(chǎng)上的光線追蹤產(chǎn)品仍然會(huì)在軟件層面，直到硬件方案進(jìn)入市場(chǎng)并呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。
那時(shí)候，Imagination不僅能推動(dòng)移動(dòng)和嵌入式終端光線追蹤的發(fā)展，也能幫助其將GPU的市場(chǎng)從移動(dòng)端拓展到更高性能的桌面和數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)。
Imagination中國(guó)區(qū)董事長(zhǎng)白農(nóng)告訴雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))：“功耗一直不是目前桌面市場(chǎng)GPU的優(yōu)勢(shì)，但隨著應(yīng)用的多元化以及對(duì)功耗的更高要求，功耗一直是我們的優(yōu)勢(shì)，我們的光線追蹤產(chǎn)品能夠讓客戶定制更高能效的產(chǎn)品。Imagination的商業(yè)模式，也支持客戶的創(chuàng)新。并且，我們提供GPU、CPU、AI加速、連接網(wǎng)絡(luò)的全面產(chǎn)品組合，適應(yīng)異構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，能夠滿足客戶多樣化的需求。”
據(jù)悉，Imagination Photon架構(gòu)的可擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 9 TFLOPS（每秒萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算）的FP32光柵化性能和超過7.8 GRay/s的光線追蹤性能，同時(shí)能夠提供比當(dāng)今的RTLS 2 級(jí)或RTLS 3級(jí)光線追蹤解決方案高2.5倍的功耗效率。
寫在最后
在英偉達(dá)的推動(dòng)下，光線追蹤的生態(tài)在過去幾年間已經(jīng)有了明顯的發(fā)展，這也是Imagination能夠推出移動(dòng)端光線追蹤GPU產(chǎn)品的關(guān)鍵。光線追蹤是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)，可以使圖形真實(shí)感達(dá)到躍升式變化。
光線追蹤不是全新的技術(shù)，但卻有可能改變GPU市場(chǎng)的格局，市場(chǎng)的定制需求以及對(duì)功耗的更高需求，都是Imagination從移動(dòng)市場(chǎng)進(jìn)入桌面和數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。
當(dāng)然，除了更高效和更低功耗的產(chǎn)品，構(gòu)建強(qiáng)大的生態(tài)才是Imagination在光線追蹤變革中成功的關(guān)鍵。目前Imagination已經(jīng)與Carbonated、騰訊游戲、完美世界、網(wǎng)易游戲合作，推動(dòng)高性能渲染和光線追蹤等圖形新技術(shù)在移動(dòng)游戲中的應(yīng)用。
待到2023年基于硬件光線追蹤的移動(dòng)端產(chǎn)品推向市場(chǎng)之后，我們就能夠更清晰的判斷光線追蹤對(duì)手游以及Imagination的影響。
注：文中圖片來自Imagination
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