让手机也能有桌面级游戏体验，业界首款RTLS 4级光线追踪GPU来了！-技术圈

2021年11月4日下午，图形处理器（GPU）技术厂商Imagination Technologies召开新产品媒体发布会，宣布推出旗舰款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。

什么是光线追踪？

现实世界我们所看到的一切，都是源于我们人眼对于外界光线的感知。而光线从光源发出，在各种物体表面会经过多次反射、折射和散射，并且相互作用（吸收、改变颜色、改变方向），最终这些光线会以各种特定颜色组合被人眼所看到。在这个过程中，每一个光线的路径由多重直线组成，几乎总是包含从原点到场景的反射，折射和阴影效应。

在传统的游戏和动画制作当中，计算机不会计算每个光线从哪里来，到哪里去，更不会计算这些光线的相互叠加。只是通过及时演算物体阴影和控制光线的强弱来“模拟”人眼看到的真实情况。尽管现在很多采用了HDR（高动态范围）效果的游戏都有很不错的光影效果，但是那远非真实的光影效果。你很难通过影子和光线的遮蔽来判断，移动的目标（比如射击游戏中的敌人）所处的位置。

而光线追踪技术则是通过计算机在游戏或动画的每一帧画面制作当中，模拟现实世界中的光线从光源到物体表面再到人眼所呈现的视觉效果，以提升视觉体验的技术。它可以实现更为逼真的阴影和反射效果，同时还可以大大改善半透明度和散射，带来相似于人眼所看到的更为真实场景效果。

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不过，光线追踪技术计算的光线路径方向与真实世界中的人眼的感知的光线是反向的，即以人眼为出发点，以人眼希望看到的类似真实世界的光影效果，再来进行画面制作和渲染。目前较为常见的方法是混合渲染，即渲染大部分的传统场景，同时使用光线追踪技术查询需要再进一步处理的场景的像素。

比如，在动画中，每一束光线的直线部分的位置和方向总是在不断变化，因此每一条光线都要用一个数学方程式来表示，定义光线的空间路径为时间的函数，根据光线在到达屏幕前经过的场景中的目标的色素或颜色来分配给每一束光线一种颜色，最终呈现出人眼所看到的画面。屏幕上的每一个像素都符合每一时刻可以回溯到源头的的每条光线。

虽然光线追踪技术对于计算资源有一定的要求，但是得益于近年来GPU性能的不断提升，以及光线追踪技术能够为用户带来更为优质、更为真实的视觉体验效果，开始越来越多的被高品质的游戏和动画所采用，比如《战地5》、《古墓丽影:暗影》、《使命召唤:现代战争》等。

光线追踪技术开始进入移动市场

近年来，随着以《王者荣耀》、各类“吃鸡”游戏为代表的爆款手游的出现，手游市场呈现快速爆发。在此背景之下，手机的游戏体验越来越被各大智能手机厂商所重视。

2018年，多家手机厂商杀入了游戏手机市场，推出了一系列的游戏手机，比如黑鲨游戏手机、nubia的红魔游戏手机、华硕的ROG游戏手机以及游戏外设厂商雷蛇推出的游戏手机Razer Phone等等。与此同时，众多手机厂商、手机芯片厂商在还与手游厂商紧密合作（有些甚至还成立了联合实验室），不断提升手机游戏的体验。

虽然以往光线追踪技术都是被应用在各种PC/主机游戏大作上，但是随着近年来智能移动处理器的GPU算力也越来越强，以及用户对于移动端游戏体验要求的不断提升，光线追踪技术也开始逐步进入移动端。

其实早在2015年之时，Arm就开始将其于2013年底收购的Enligten“动态全局光照技术”（非光追技术，软件形式实现）引入到移动端，该技术可在3D绘图中创造先进且逼真的光影效果，并大幅降低对于GPU算力的依赖。当时，完美世界则是中国首家授权Enlighten全局光照技术的游戏开发商。

△Enligten动态全局光照技术

今年10月14日，联发科也宣布推出基于Vulkan扩展的移动端光线追踪SDK 解决方案，并与 Arm 和腾讯游戏共同实现了移动端实时光线追踪技术的首次演示，为移动终端的光线追踪技术开发提供了必需的工具、框架和内容，进一步拓展游戏生态系统，希望共同推进光线追踪技术在行业的发展。

今天，GPU技术厂商Imagination也召开新品发布会，推出了首款基于其PowerVR Photon光线追踪架构的旗舰款GPU IP——IMG CXT，号称可以为移动游戏玩家和开发者提供桌面级质量的体验。

Imagination也表示，光线追踪是一项改变游戏规则的技术，可以使图形真实感达到跃升式变化。通过模拟真实世界中光线的表现，它可以创造出与现实生活几乎无异的三维（3D）场景。

这些上游芯片厂商纷纷发力“光线追踪”技术，似乎预示着，移动端的游戏体验即将进入一个新的时代！

Imagination IMG CXT：业界首款RTLS 4级光线追踪GPU

在发布会上，Imagination根据其经验和理解，提出了一套光线追踪等级系统（RTLS），对于光线追踪的实现划分为六个等级：

L0、传统解决方案

L1、传统GPU上的软件方案

L2、光线-包围盒和光线-三角形测试器

L3、具备硬件BVH处理能力

L4、具备硬件BVH处理能力和相干性分类能力

L5、带有BVH硬件生成器的相干性BVH处理功能

△不光滑表面隐藏相干性示例

Imagination表示，按照以上分型，其IMG CXT系列是业界首款RTLS 4级别的光线追踪GPU，是专用的光线追踪的硬件级解决方案，相比传统GPU加软件的解决方案（比如其他厂商日前推出的RTLS 2级解决方案）来说，不仅性能大幅提升，同时其功耗也大大降低。

具体来说，IMG CXT系列GPU基于Imagination全新的PowerVR Photon架构，该架构的主要特点是RAC，这是一种新的低功耗专用硬件GPU组件，相比效率较低的RTLS 2级架构，它可以加速和卸载更多来自着色器内核的光线追踪计算。

RAC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128宽的统一着色器集群（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。

Ray Store可以在处理过程中将光线数据结构保存在芯片上，并提供对 RAC中所有单元的高带宽读写访问，从而避免了将光线数据存储或读取至动态随机存取存储器（DRAM）所造成的速度降低或功耗增加。

Ray Task Scheduler可以卸载着色器集群的任务，并通过专用硬件部署和追踪光线工作负载，同时保持高光线吞吐量和低功耗。独特的Coherency Gatherer单元可以分析所有传播中的光线，并将整个场景中的光线绑定成多个相干组，从而能够以更高的效率对它们进行处理。

以上这些功能结合在一起，可以为开发人员提供比市场上的现有解决方案更强大、更具一致性的光线追踪性能，从而支持他们在渲染汽车、角色和地形等复杂表面时提供更优质的效果，并创建出比以往任何时候都更细致的环境。

Imagination称，由于光线追踪计算的复杂性，光线追踪不久前也只是应用在台式机和游戏机上，但凭借IMG CXT革命性的Photon架构，移动开发者和游戏玩家现在也能够利用这种令人难以置信的渲染技术和全面的硬件加速功能。

△IMG CXT的光线追踪效果演示

具体以CXT 48-1536 RT3为例，其内核具有三个光线加速集群（RAC），可提供总体高达1.3 GRay/s的性能，使得其可以在移动设备的功耗预算下，以高帧率提供逼真的光线追踪阴影、反射、全局照明和环境光遮蔽效果。

同时，IMG CXT在光栅化图形处理性能方面也向前迈出了重要一步，与Imagination的上一代GPU IP相比，其计算、纹理和几何性能都提高了50%，AI性能达到了6TOPS。它的低功耗超标量（superscalar）架构可在低时钟频率下提供高性能，从而实现卓越的帧率功耗比（FPS/W）效率，同时 Imagination图像压缩（IMGIC）技术可以大幅降低带宽需求。

据Imagination技术前瞻副总裁Kristof Beets介绍，虽然IMG CXT是针对移动端的RTLS 4级光线追踪GPU，但是Imagination完全有能力推出RTLS 5级光线追踪GPU，不仅性能更强，而且功耗也更低。之所以目前只推出RTLS 4级光线追踪GPU，是因为为了市场平衡，因为开发者和市场都还没完全做好准备开发者需要一个适应和学习的过程，移动端的光线追踪游戏市场也需要一个培育的过程。

△PVRTune工具现在可以支持开发者查看底层的光线追踪计数器

对于其他厂商针对移动端所推出的软件类光线追踪解决方案，Kristof Beets表示，纯软件的方案最终达成的效果可能并不好，并且会带来功耗的提升。Imagination提供的硬件级的RTLS 5级光线追踪GPU可以以更低的功耗实现更好的效果。

新的市场方向

除了智能手机等移动端设备应用之外，Imagination表示，IMG CXT也非常适合于超高品质的汽车人机界面（HMI）平台。它可以实现环绕视图中逼真的车辆图像，卫星导航中密集城市区域的展示，以及具备混合现实功能的抬头显示器（HUD）、数字车速表和其他信息显示器。它还可以在车上人员等待车辆充电时提供优质的车内游戏和娱乐体验。

Imagination表示，得益于其多核技术，Photon架构还可以扩展应用于云、数据中心和PC市场。可以实现高达 9 TFLOPS（每秒万亿次浮点运算）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 RTLS 2 级或3级光线追踪解决方案高2.5倍的功耗效率。

目前IMG CXT已向多家合作伙伴授权。不过，Imagination并未透露具体的合客户。

编辑：芯智讯-浪客剑

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