8月16日TGDC Final-技術專場上，來自Imagination圖形技術美工專家Alekos Caporali：進行了題為《移動游戲中如何實現光線追蹤》的分享。這項技術基于Imagination的PowerVR Photon光線追蹤架構，能夠實現在智能手機等低功耗嵌入式設備中實現高性能、桌面級質量的光線追蹤效果。根據演示，這套光線追蹤技術在陰影、反射、全局光照等方面都能實現良好的視覺優化效果。

光線追蹤技術的發展與應用：極大提升3D場景的擬真度據介紹，Imagination PowerVR GPU有30年的歷史，首創了TBDR、基于優先級的渲染、虛擬化和光線追蹤等圖形技術，為移動端，臺式機，汽車和許多其他應用市場提供全球領先的IP核。目前總共有3000多項專利和申請，是全球擁有基本GPU專利的少數公司之一。從2007年起，公司就開始研究硬件光線追蹤技術，并開發了光線追蹤0-5級的分級系統，此次TDGC上Imagination展示的解決方案屬于4級，以BVH處理和相干性排序為技術亮點，實現更加柔和陰影、根據不同材質呈現逼真的反射效果，以及實時全局光照的功能。接下來Imagination計劃向第5級發展，在硬件中使用場景層次生成器進行相干 BVH 處理。

在計算機圖形學領域，傳統渲染方式是在光柵化（rasterization）基礎上配合光照貼圖（lightmap）等技術，本質上還是通過各種貼圖方式來模擬光影效果，可以使游戲畫面達到較高質量的視覺效果，但同時也由于貼圖難以模擬漫反射、實時光影效果等，在進一步提升擬真度上存在瓶頸，此類屬于第一級光追。硬件實時光線追蹤技術則有望突破游戲畫質提升的瓶頸。通過對游戲內光線的模擬，實現場景中物體表面反射、柔和陰影、環境光遮蔽、全局光照等效果，硬件光線追蹤能夠實時生成光影效果，使游戲畫質的擬真度得到實質性的提升。

作為一項提供擬真視覺效果、同時又有著較高性能需求的技術，光線追蹤現階段主要被原生畫質已經達到較高水準的大型游戲采用，作為進一步提升游戲體驗的一種嘗試。以3A游戲為主，也包含部分獨立游戲。如《賽博朋克2077》《堡壘之夜》《戰地5》《使命召喚：黑色行動》《使命召喚：現代戰爭》《孤島驚魂6》《暗影火炬城》等。此外，本土游戲《逆水寒》《劍網3RTX網絡版》《天涯明月刀》等也支持光線追蹤。此外，基于提升3D場景擬真度的能力，除了游戲領域，光線追蹤相關技術目前也已應用或將擴展到如汽車人機界面、零售、Metaverse/VR/AR、醫學成像、音頻/流體建模等領域。

移動端光線追蹤的技術方向

不過整體來看，目前由于現有硬件性能等方面的限制，業界大多使用的是光柵化+光線追蹤的混合渲染管線，光線追蹤還沒有完全替代光柵化，尚有很大的硬件和技術提升空間。應用的前瞻性和市場相對初期，也讓光線追蹤成為現階段很多廠商投入研究的方向。由于計算的復雜性，光線追蹤此前主要在端游、主機游戲等桌面端應用，NVIDIA、AMD等傳統GPU大廠針對專業開發者和消費級市場都已有所布局。而隨著手機游戲玩家對游戲品質和視覺表現要求的提升，下一代手游在畫質表現上也將傾向與端游看齊，對光線追蹤等圖形技術的移動端應用提出更高的要求。現階段，硬件和技術廠商正在從不同角度切入移動端光線追蹤領域。如在設備端，華為、聯發科都在去年展示了各自的移動光線追蹤解決方案；三星在今年1月發布了據稱是“首個在移動設備上支持硬件加速光線追蹤的旗艦處理器”的Exynos 2200；OPPO則在今年3月推出光追3D動態可交互壁紙，稱之為“首次在手機端實現光線追蹤解決方案”。以上廠商所提供的解決方案，絕大部分是基于GPU shader的純軟件實現，三星的Exynos 2200（基于AMD RDNA2 mobile）包含了較為初級的光追硬件，相較于Imagination的4級光追硬件實現，在性能和能效上均存在較大差距。”由于移動設備往往受限于面積和功耗預算，因此移動端光線追蹤解決方案的重點在于降低功耗，提高效率。針對此需求，Imagination提出了基于相干性排序（coherency sorting）提高效率的方案：一個表面上反彈角度一致的光線會被排在一起，即相干性排序，這種技術以智能方式優化整個光線分選過程，從而減少硬件運行壓力，更適合移動端。David Harold告訴東西游戲，相比于其他光線追蹤解決方案在軟件中完成這一關鍵步驟，Photon架構在硬件上完成光線追蹤和排序，因而會更快、更高效。

東西游戲與Imagination的QA節選

QImagination的移動端光線追蹤解決方案的技術路線是什么？

Imagination：目前我們推出的IMG CXT GPU引入了PowerVR Photon架構，為桌面、數據中心和移動設備帶來了高性能、桌面級質量的光線追蹤視覺效果。由CXT驅動的設備可提供高達1.3GRay/s的性能，為用戶帶來光線追蹤陰影、反射、全局照明和環境遮擋等功能，并實現高幀率。

Imagination的Photon光線追蹤架構是數十年發展的結果，使光線追蹤在智能手機等低功耗嵌入式設備中不僅可行，而且快速。由于光線追蹤的性能和效率水平各不相同，我們建立了光線追蹤等級系統（RTLS），范圍從0級到5級。Q在移動端實現光線追蹤，和在其他設備上實現光線追蹤相比，有哪些難點？Imagination是如何去解決這些難點的？

Imagination：移動設備總是會受限于面積和功耗預算，所以我們需要一個具有高效架構的解決方案，以降低功耗。Photon實現了光線追蹤硬件加速，與目前市場上的任何其他硬件光線追蹤加速相比，它是獨一無二的，因為它的硬件光線追蹤和排序，對軟件來說是透明的，確保硬件上并行追蹤的發射光線具有潛在的相似性，我們把這稱為相干性聚集。業界的其他光線追蹤解決方案在軟件中完成這一關鍵步驟，這不可避免地會更慢、更低效。

另一個要求是可擴展性，所以我們有一個非常高效的單例RT核，而且可以線性地擴展。IMG CXT-48-1536 RT3 內核具有三個 Ray Acceleration Cluster （RAC） 實例，性能高達 1.3GRay/s 。Q針對移動端光線追蹤解決方案，Imagination的差異性體現在哪里？

Imagination：我們之所以是硬件光線追蹤技術的首選，是因為我們已經花了很長一段時間來努力解決這個問題了。相比之下，其他行業競爭對手還停留在初步級階段。而現在光線追蹤已經成為當今使用的主要圖形API之一的重要方面。

我們的相干性聚集與如今對于光線追蹤過程的認知相符，如果光線啟動生成新的光線，堆棧就會被解開，這又可能啟動生成新的光線，等等如此往復。我們在每個調度步驟收集光線的相干性，確保我們盡可能地接近硬件可能光線流以便高效處理。

在現代硬件光線追蹤器中，最需要測量的也是這種光線流，此種光線流的工作效率是非常重要的指標。峰值并行三角形測試或者簡單光線條數是描述射線追蹤硬件性能的簡單方式，但它們并不十分有用。畢竟，開發者想要的并不只是關心一個高峰值并行測試峰值或者不產生后續的迭代計算的被遮擋光線。

我們的目標是在整個加速系統中實現可用的full-fat ray flow，這樣開發者就可以利用光線預算做一些有用的事情。我們的相干性聚集系統使我們能夠提供這樣的服務，讓其與目前市場上的任何其他系統相比都是獨一無二的，而這些其他的系統都缺乏足夠的功能或架構效率，或兩者都缺乏。

目前，Ray tracing在游戲機和PC上還是比較新的。對于移動開發者來說，總是需要一些時間來跟進，而移動硬件的生產也需要時間。Imagination已經在Ray Tracing解決方案上深耕了十多年，并且在最近的幾年里我們才開始授權。