移动端的光线追踪是如何实现的

对于光线追踪（ray tracing）这一概念，电脑游戏玩家肯定是不陌生的。光线追踪给游戏画面展示带来了更为细腻的光照表现和写实的光影效果，在电视节目和电影制作中也有广泛应用。

从定义上看，光线追踪是一个在二维（2D）屏幕上呈现三维（3D）图像的方法。这样的定义可能比较抽象，实际上光线追踪就是为了计算出光线发出后经过一系列衰减（吸收、反射和折射）再进入人眼时的现实情况，并将其复现在屏幕上，让人从屏幕上有一种身临其境的感觉。

在一种逼真写实的环境玩游戏，想来就觉得很酷。现在，移动端的游戏玩家可以不用羡慕电脑游戏玩家了。近日，Imagination Technologies 宣布推出旗舰款图形处理器（GPU）知识产权（IP）产品IMG CXT，同时其PowerVR Photon光线追踪架构也随该IP首次亮相。通过增加Photon硬件光线追踪功能，IMG CXT实现了GPU IP的又一次重大飞跃，能够为游戏和其他图形处理应用场景提供令人难以置信的性能。Photon 是业界最先进的光线追踪架构，可以为移动和嵌入式应用带来桌面级质量的视觉效果，并已在多个市场中进行了授权。

移动端的光线追踪是如何实现的？

实际上，光线追踪概念的提出至今已经有数十年，上世纪60年代便由一个叫数学应用组的组织中的科学家提出，然后从DirectX 10时代开始进入电脑游戏中。但是，在电脑游戏中实现光线追踪需要大量的算力支撑。

从另一角度来看，高算力就会带来更高的能耗，对于移动端这种能效要求严格的领域，光线追踪真的合适吗？

Imagination中国区战略市场与生态副总时昕博士在发布会上表示，传统光线追踪的做法属于RTLS 0级或1级，也可称之为Level 0或者Level 1级，是基于现有硬件通过GPU软件算法实现的光线追踪，IMG CXT采用的Photon架构处于RTLS的4级（Level 4），是当前业内可用的最先进的光线追踪技术。

2020年9月22日，Imagination对外宣布了一套光线追踪等级系统（Ray Tracing Levels System），旨在帮助开发人员和原始设备制造商（OEM）清晰了解现在和未来可用的光线追踪加速解决方案的功能。

这个光线追踪等级系统共包含6个等级，它们的功能和要求如下：

Level 0：传统解决方案

Level 1：传统GPU上的软件

Level 2：硬件中的光线/方框和光线/三角形测试器

Level 3：硬件中的边界体积层次结构（Bounding Volume Hierarchy，BVH）处理功能

Level 4：硬件中的BVH处理和一致性排序功能

Level 5：硬件中带有场景层次生成器（Scene Hierarchy Generation，SHG）的一致性BVH处理功能

从该分级系统不难看出，从L2级开始，光线追踪的性能提升开始依赖硬件架构和硬件性能的提升。

时昕博士指出，在Photon架构中，Imagination提供紧密集成在CXT中的光线加速集群（RAC）。IMG CXT-48-1536 RT3 内核具有三个RAC，可提供总体高达1.3 GRay/s的性能。与 Imagination的上一代 GPU IP 相比，实现计算和纹理性能提高50%，几何性能提高50%。

从时昕博士的解读不难看出，L4级光线追踪实现的关键一步是RAC。“RAC是一种新的低功耗专用硬件GPU组件，包含了光线存储（Ray Store）、光线任务调度器（Ray Task Scheduler）和相干性聚集器（Coherency Gatherer），并与两个统一着色器集群（USC）紧密耦合，USC拥有高速专用数据通路，可以实现最高效且功耗最低的光线追踪部署。相比效率较低的光线追踪架构，RAC可以加速和卸载更多来自着色器内核的光线追踪计算。”他对此讲到。

介绍资料显示，在算力表现上，Imagination全新旗舰款移动内核能够提供：

1.5 TFLOPS FP32

48 GTexel/s

1.3 GRay/s

48 GBoxTest/s

6.0 TOPS

另外，IMG CXT-48-1536 RT3 内核完全支持Vulkan的光线追踪技术，采用光线查询和光线管线双融合，进而提供更真实的阴影、反射和全局照明效果。

同时，Imagination还表示，得益于Imagination的多核技术，Photon架构可以扩展应用于云、数据中心和PC市场。这可以实现高达 9 TFLOPS的FP32光栅化性能和超过7.8 GRay/s的光线追踪性能，同时能够提供比当今的L2级或L3级光线追踪解决方案高2.5倍的功耗效率。

会给移动端带来怎样的效果？

IMG CXT-48-1536 RT3 内核的出现是首次在移动 IP上实现了桌面级质量的光线追踪视觉效果，那么其效果如何呢？

Imagination技术前瞻副总裁 Kristof Beets表示，目前 IMG CXT、PowerVR Photon 光线追踪架构已经授权给了数个合作伙伴，但在具体产品发布前无法透露。这一周期通常要 18~24 个月，如果客户在今年获取了这个IP授权，接着进行芯片设计和流片，这个客户的最终产品最早会在2023年上市，消费者才可以体验到相关的硬件光线追踪解决方案。

虽然方案还没有上市，我们还是通过现场演示看到了一个对比细节，

Imagination首席执行官Simon Beresford-Wylie表示：“作为智能手机变革的关键推动力量，Imagination在将先进的3D图形处理功能引入移动设备方面有着杰出的成绩。我们在高效光线追踪方面所实现的创新是我们发展过程中的又一次重要迈进，它为移动图形处理行业创造了一种全新的能力。我们很高兴能与自己的伙伴合作，实现将逼真的图形内容带入您掌中设备的愿景。”

责任编辑：haq