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)游戲市場的快速增長。即便在整個游戲市場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年全球游戲市場報告》預(yù)測，移動游戲市場將在2021年產(chǎn)生907億美元的收入，同比增長4.4%，這部分收入將占全球游戲市場總收入的一半以上。

手游市場的快速增長，除了玩手游更加便捷之外，體驗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。2018年，英偉達(dá)發(fā)布了十多年來在計算機(jī)圖形領(lǐng)域的重要創(chuàng)新——圖靈GPU架構(gòu)，首次將光線追蹤帶入桌面級市場。

2021年11月，Imagination也發(fā)布了代表其十年來推動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 IP上實現(xiàn)了桌面級質(zhì)量的光線追蹤視覺效果，也是全球首款在移動端實現(xiàn)硬件光線追蹤的GPU。

雷峰網(wǎng)(公眾號：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，手游市場的變革時刻也即將到來。

移動設(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世界中光線的表現(xiàn)，創(chuàng)造出與現(xiàn)實生活幾乎無異的三維（3D）場景。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《玩具總動員4》的開場鏡頭中，雨坑里反射的光線就是光線追蹤渲染的效果，《阿凡達(dá)》《頭號玩家》《失控玩家》等電影也運用了光線追蹤。

但是，光線追蹤在游戲中還非常新鮮，這是因為光線追蹤涉及巨大的計算量，桌面級和移動設(shè)備的計算能力無法滿足所需的高計算負(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)引入桌面級游戲市場。

實際上，Imagination在光線追蹤方面的研究也有大概十年的時間，2014年就采用28nm工藝就設(shè)計測試了一款光線追蹤GPU。

“當(dāng)時整個生態(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中國區(qū)戰(zhàn)略市場與生態(tài)副總時昕說，“從2018年桌面級GPU公司開始推出PC上的光線追蹤開始，整個業(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機(jī)已經(jīng)到來?！?/strong>

將光線追蹤引入移動端，效果自然要向桌面級看齊。用一個直觀的例子來展示Imagination實現(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，陰影的部分也會變得非常柔和，幾乎看不見，但巧妙地增加了照明的真實感，更接近現(xiàn)實世界。

還有，光線追蹤中的全局照明，能為場景中的物體增加出色的環(huán)境照明效果，實現(xiàn)最真實的照明。

如何實現(xiàn)移動端光追性能和功耗的平衡？

實際上，想要在已有的移動設(shè)備上實現(xiàn)光線追蹤功能并非不可能。

“采用軟件方案也能在移動端實現(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，“因為這種方案沒辦法在功耗和效果之間達(dá)到一個很好的平衡，軟件仍然要使用大量的計算資源用于陰影和多邊形的貼圖。”

為了更直觀反映實現(xiàn)光線追蹤不同方案及效果的差別，Imagination對光線追蹤進(jìn)行了分級，建立了光線追蹤等級系統(tǒng)（RTLS）：

• 1級為現(xiàn)有硬件上的軟件解決方案。性能低，效率低。

• 2級增加了用于光線追蹤的第一部分硬件。與1級相比，可以將基本光線追蹤效果的效率提高44倍。

• 3級增加了用以處理發(fā)射光線的硬件，與2級解決方案相比，可大大降低功耗。

• 4級增加了相干性聚集功能，針對復(fù)雜的桌面級效果大大提升了性能，讓其可以在移動端功耗預(yù)算下應(yīng)用。

• 5級是一項未來等級，可在場景中實現(xiàn)更大數(shù)目的動態(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RTLS 4級的光追產(chǎn)品，目前業(yè)界的其它移動端解決方案為RTLS 1級。Imagination能夠?qū)崿F(xiàn)RTLS 4級光追的核心是IMG CXT-48-1536 RT3 內(nèi)核具有三個光線加速集群（RAC），可提供總體高達(dá)1.3 GRay/s的性能，即使在移動設(shè)備低功耗的情況下，也能以1080P分辨率實現(xiàn)30~60FPS的實時光線追蹤渲染，滿足日常游戲高端需求。

RAC包含了光線存儲（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，可以實現(xiàn)高效且功耗最低的光線追蹤部署。

時昕解釋，“很多光追算法用傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)效率很低，用過專門的硬件單元，比如RAC，效率成倍提升?！?/p>

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)可在低時鐘頻率下提供高性能，從而實現(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立，但實際并不矛盾。

“以前在復(fù)雜場景的光照效果，包括反射、陰影、全局照明等，都要靠著色器一個個去模擬計算，我們的CXT把渲染的負(fù)載轉(zhuǎn)移到更為專用的硬件上面，效率更高的同時實現(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算10億條及更多數(shù)量的光線。

光線管線的方式是計算光源發(fā)射出的光子，碰到場景當(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，計算出光源。

“光線查詢浪費的計算比較少，所以有功耗優(yōu)勢，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現(xiàn)，Imaginatiom同時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?！睍r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級的產(chǎn)品。之所以現(xiàn)階段推出RTLS 4級產(chǎn)品，主要是出于市場考量。我們跟市面上的光線追蹤開發(fā)者溝通后發(fā)現(xiàn)，如果我們成為市場上唯一提供RTLS 5級光線追蹤硬件的公司，不會有多少開發(fā)者來開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用。”

先推出RTLS 4級光追產(chǎn)品培育市場，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做大。Imagination推出GPU IP的同時也推出了軟件開發(fā)套件PVRTune工具，可以支持開發(fā)者查看底層的光線追蹤計數(shù)器，例如：每秒的光線數(shù)、包圍盒測試器負(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)?！盞ristof Beets說。

未來幾年，移動市場上的光線追蹤產(chǎn)品仍然會在軟件層面，直到硬件方案進(jìn)入市場并呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。

那時候，Imagination不僅能推動移動和嵌入式終端光線追蹤的發(fā)展，也能幫助其將GPU的市場從移動端拓展到更高性能的桌面和數(shù)據(jù)中心市場。

Imagination中國區(qū)董事長白農(nóng)告訴雷峰網(wǎng)：“功耗一直不是目前桌面市場GPU的優(yōu)勢，但隨著應(yīng)用的多元化以及對功耗的更高要求，功耗一直是我們的優(yōu)勢，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，能夠滿足客戶多樣化的需求?！?/strong>

據(jù)悉，Imagination Photon架構(gòu)的可擴(kuò)展性，可以實現(xiàn)高達(dá) 9 TFLOPS（每秒萬億次浮點運算）的FP32光柵化性能和超過7.8 GRay/s的光線追蹤性能，同時能夠提供比當(dāng)今的RTLS 2 級或RTLS 3級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能夠推出移動端光線追蹤GPU產(chǎn)品的關(guān)鍵。光線追蹤是一項改變游戲規(guī)則的技術(shù)，可以使圖形真實感達(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市場的格局，市場的定制需求以及對功耗的更高需求，都是Imagination從移動市場進(jìn)入桌面和數(shù)據(jù)中心市場的機(jī)會。

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，推動高性能渲染和光線追蹤等圖形新技術(shù)在移動游戲中的應(yīng)用。

待到2023年基于硬件光線追蹤的移動端產(chǎn)品推向市場之后，我們就能夠更清晰的判斷光線追蹤對手游以及Imagination的影響。

注：文中圖片來自Imagination

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