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2022年底，聯(lián)發(fā)科和高通發(fā)布的最新旗艦手機SoC都有一個重要的特性——支持硬件級光線追蹤技術(shù)。
2023年剛開年，全球第四大硅IP提供商Imagination Technology，也是硬件級移動光線追蹤技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，發(fā)布了其第二代硬件級光線追蹤IP IMG DXT，憑借可擴展的特性，智能手機從主流到旗艦級都能用上硬件級光線追蹤，推動移動光線追蹤技術(shù)的普及。
雷峰網(wǎng)了解到，IMG DXT預(yù)計會在18-24個月內(nèi)商用。
這意味著，2023年將是手機支持光線追蹤的關(guān)鍵一年，26億手機游戲玩家離在手機上體驗到光線追蹤的游戲又更近了一步。
過去幾年，移動端光線追蹤技術(shù)不斷有消息放出，但遲遲沒有看到其在智能手機上大規(guī)模應(yīng)用，原因是什么？
Imagination公司首席營銷官David Harold認為，“主要原因是他們雖然技術(shù)成功了，但能耗過大，難以在手機上得到實際應(yīng)用。這也恰恰體現(xiàn)出我們L4級別光線追蹤對性能和能耗優(yōu)化的重要性。”
技術(shù)之外，生態(tài)更是影響移動端光線追蹤的長期且重要的因素。Imagination這一次給出了什么樣的解決方案？
移動端光線追蹤普及的兩大難題
光線追蹤技術(shù)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，可以讓3D游戲場景中的光照更加貼近真實生活中的折射和反射。
借助開啟光線追蹤技術(shù)和沒有光線追蹤技術(shù)的相同場景的對比，比如陽光下墻壁上的陰影，以及任何鯊魚在水中的細節(jié)呈現(xiàn)，就可以輕松發(fā)現(xiàn)光線追蹤技術(shù)對于追求更加沉浸和真實體驗的游戲玩家，是一個極具誘惑力的技術(shù)升級，但這非常耗費計算資源。
“現(xiàn)在市面上能夠看到的任何宣稱有光線追蹤技術(shù)的手機，其實用的都還是第一級別的軟件解決方案，真正使用起來能耗會非常嚇人。”David Harold直言。
功耗也是移動端光線追蹤普及的第一大技術(shù)難題。引發(fā)這個問題的關(guān)鍵在于光線追蹤實現(xiàn)的方式，借助Imagination提出的光線追蹤GPU的分級可以更好理解這一點。
2021年底Imagination發(fā)布首款硬件級光線追蹤GPU IP 時，就提出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。
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，并帶有額外的硬件加速。
“一家公司想要驕傲地宣稱有光線追蹤技術(shù)，第一步要做的是從軟件級別開始。”Imagination 公司技術(shù)產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Stephen Barton表示“用軟件的方式實現(xiàn)光線追蹤的問題也顯而易見，計算開銷和功耗非常大。”
顯然，第2、3、4級的硬件級光線追蹤解決方案，才是光線追蹤在移動端普及的基礎(chǔ)。根據(jù)Imagination的分類，目前主流的GPU提供商都在第2-第3.5級之間，只有Imagination此前發(fā)布的IMG CXT和最新發(fā)布的IMG DXT光線追蹤GPU處于第四級。
但僅有硬件還遠遠不夠，開發(fā)者、應(yīng)用和軟件生態(tài)是阻礙光線追蹤的另一大難題。
Stephen Barton說，“移動端推廣光線追蹤確實是需要一個生態(tài)系統(tǒng)。硬件級光線追蹤只有觸及大部分終端市場，游戲開發(fā)者才會愿意開發(fā)帶有光線追蹤功能的游戲，否則他們會缺乏動力。”
那如何才能破解這兩大挑戰(zhàn)？
讓主流和高端手機，都能用上硬件級光線追蹤
移動端光線追蹤的普及，硬件和生態(tài)實際上也是相輔相成。
“我們上一代IMG CXT GPU已經(jīng)是4級的光線追蹤，但比較多的是針對高端的設(shè)備，沒有辦法達到讓主流機型都具有這個能力。這可能讓開發(fā)者覺得沒有那么大的必要去開發(fā)大量的光線追蹤的內(nèi)容。” David Harold認為，“只有讓移動端光線追蹤的功耗開銷處于可接受范圍，盡快鋪開到更多移動設(shè)備，光線追蹤的內(nèi)容開開發(fā)者才會更愿意開發(fā)更多內(nèi)容。”
這也正是最新發(fā)布的IMG DXT的一個重要特性，可以覆蓋主流到高端的手機，支持從混合實現(xiàn)方案中的簡單陰影到3A大作中的高級光追畫面等各類應(yīng)用。
實際上，這得益于IMG DXT系列可擴展光線追蹤RAC（光線加速集群）。從低配的0.5 RAC 提供216MB/秒的光數(shù)運算能力，8GB的光和檢測運算能力，到高配的4 RAC，提供1.5GB的光線追蹤算力，64GB的光合檢測能力。
Imagination中國區(qū)技術(shù)總監(jiān)艾克指出，“有了DXT系列可擴展的0.5 RAC到4 RAC，我們可擴展的光線追蹤技術(shù)可以運用到各個手機領(lǐng)域的層次。追求產(chǎn)品差異化的主流設(shè)備制造商可以選擇節(jié)省面積的半尺寸光線加速集群（RAC）配置，而追求高端性能的OEM可以選擇單、雙或四RAC配置打造終極移動視覺體驗。”
據(jù)雷峰網(wǎng)(公眾號：雷峰網(wǎng))了解，DXT采用Photon架構(gòu)，是目前唯一達到光追系統(tǒng)（RTLS）4級的光追設(shè)計，有DXT-8-256、DXT-48-1536、DXT-72-2304三種配置，分別面向主流、高端、旗艦智能手機市場。
“無論RAC如何配置，與相同移動配置下的CXT相比，DXT能夠?qū)⑻峁┛捎霉庾返拿娣e成本降低40%。“艾克表示。
DXT系列的性能標桿的旗艦產(chǎn)品DXT-72-2304，具有72 GTexels/s和2.5 TFLOP FP32算力。與上一代產(chǎn)品相比，最大單核性能提升了50%。并且，DXT核的單位面積性能密度比IMG CXT GPU高出20%，還大幅降低了功耗。
光線追蹤技術(shù)與片段著色率（FSR）技術(shù)結(jié)合，能夠用更小的功耗實現(xiàn)更真實的畫面，這兩個技術(shù)的結(jié)合被艾克稱為“黃金搭檔”。
FSR是一種可以在幾乎不降低圖像質(zhì)量的前提下減少片段著色器運行次數(shù)的技術(shù)，能夠降低占用的帶寬與功耗。
以具體的場景看，是否使用FSR技術(shù)對于畫質(zhì)肉眼幾乎看不出差別，但從熱力圖可以發(fā)現(xiàn)，使用了FSR技術(shù)之后，可以節(jié)省大量的運算資源。在最極端的情況下，可以對一個4x4的片段區(qū)域只執(zhí)行一次著色器代碼，從而使工作負載減少近94%。
除了光線追蹤和FSR的黃金搭檔之外，DXT還有諸多使其能夠兼顧性能和能效的特性。比如2D雙速率紋理處理，許多先進的游戲依靠大量紋理取樣實現(xiàn)高級過濾效果。IMG DXT GPU的紋理處理單元（TPU）內(nèi)置一個已獲得專利的創(chuàng)新特殊模式，能夠為這些后處理效果創(chuàng)建一條“快速通道”，在使雙線性濾波性能幾乎翻倍的同時，最大程度地減少面積的增加并降低整體功耗。
還使用RISC-V固件處理器，帶來調(diào)度40%的性能提升。
這些特性能夠支撐手機游戲更沉浸體驗、更高游戲性能、更高能效的需求。
背后最核心的，正是IMG DXT Photon架構(gòu)中的光線加速集群（RAC）。BTU、DTTU、PTU單元實現(xiàn)的是第二級的光線追蹤，有了PCG相關(guān)的分析、分類、聚集和回溯能力以后，就實現(xiàn)了第三級光線追蹤，加上光線存儲以及光線任務(wù)的調(diào)度器等，綜合在一起達到RTLS級別中的第四級。
靈活可擴展的架構(gòu)為移動端光線追蹤的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，但要普及和有優(yōu)秀的應(yīng)用體驗，生態(tài)是一個影響更加深遠的因素。
只能一點點普及光線追蹤
讓硬件級的光線追蹤覆蓋各個層級的手機終端會讓開發(fā)者更有動力開發(fā)光追游戲，想要更進一步推動移動光線追蹤的生態(tài)，就需要讓開發(fā)者能夠輕松上手。
“我們將開發(fā)者分為兩類，一類是專門做3A大作，愿意自己制作引擎的專家，他們主要采用的方式是在Valkan擴展，通過API接口連接使用光線追蹤技術(shù)開發(fā)，對他們而言適應(yīng)光線追蹤相關(guān)的游戲開發(fā)并不是什么問題。”Stephen Barton表示，“另一類是會采用Unity、Unreal或者O3DE引擎的開發(fā)者。面對這類開發(fā)者，我們跟O3DE展開合作，開發(fā)者只要跟著引導(dǎo)一步一步就可以完成對場景光線打光的相關(guān)設(shè)置。”
無論是采用Valkan擴展還是使用主流的引擎，都必須進行大量優(yōu)化，才能滿足移動端功耗和性能的需求，并且要保證符合游戲開發(fā)者原有的開發(fā)流程。
Stephen Barton介紹，“幾年前很多游戲廠商開始往移動端移植3A大作都避不開優(yōu)化的過程，正是因為這一點，我們提供相應(yīng)的工具，比如PVR2能讓很多開發(fā)者輕松接受我們工具的引導(dǎo)，完成對光線追蹤技術(shù)的部署”
Imagination在光線追蹤方面已經(jīng)有生態(tài)的建設(shè)和儲備，包括與O3DE開源引擎合作，參加GDC游戲開發(fā)者大會，和亞馬遜一起展現(xiàn)光線追蹤在游戲引擎中可以起到的作用和能力，與完美世界、網(wǎng)易、騰訊、Unity ，OPPO，VIVO等游戲開發(fā)商合作。
但即便如此，光線追蹤的應(yīng)用和普及依舊會是一個循序漸進的過程。
Stephen Barton強調(diào)，“光線加速集群作為一個獨立IP，可以不影響GPU本身的性能獨立運行，這對移動端的應(yīng)用非常重要。”
“不是從今天開始就要把所有內(nèi)容往都用光追技術(shù)打造，我們推薦大家在現(xiàn)有的游戲內(nèi)容中一點一點加入光追的元素，從用光線追蹤打造光影效果，隨著市場上移動設(shè)備越來越多地使用硬件級光線追蹤技術(shù)，再進一步增加光線追蹤的內(nèi)容。” Stephen Barton進一步表示。
David Harold也指出，“從內(nèi)容的角度，我們離光線追蹤應(yīng)用徹底鋪開還差得很遠。”
也就是說，雖然移動端光線追蹤無論從技術(shù)還是生態(tài)的角度來說還有很長的路要走，但這是一個明確的未來趨勢，也是備受期待的技術(shù)。
ABI 2022年的調(diào)查顯示，手機游戲用戶會從2022年的26億增長到2030年的39億，到2026年，85%的游戲玩家首選在手機上玩游戲。
26億的手機游戲用戶離光線追蹤更近一步，吸引未來近40億手機游戲玩家的因素，光線追蹤是一個關(guān)鍵，而Imagination正是這一技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。
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