專為行動裝置打造——硬體級光線追蹤有何不同？
作者 : Kristof Beets，Imagination Technologies技術產品管理資深總監
光線來自於光源，而這些光線在物體表面反射，並且相互作用，最終這些光線會以某種特定顏色為眼睛所見，整個過程產生了我們可以看到的視覺效果...
光線追蹤是什麼？
光線追蹤是建立在現實基礎上的：光線來自於光源，而這些光線在物體表面反射，並且相互作用(吸收、改變顏色、改變方向)，最終這些光線會以某種特定顏色為眼睛所見，整個過程產生了我們可以看到的視覺效果。您可以想像成從光源到我們希望的成像，正常情況下這個過程是顛倒過來的：我們的眼睛先看到光線，產生反射。目前較有效的方法是混合渲染，我們渲染大部份的傳統場景，同時使用光線追蹤技術查詢正在處理的3D場景畫素。
開啟光線追蹤，獲得精細的光照效果
基本上對於反射曲面，透過操作著色器，著色器根據視角方向發射光線，並在3D場景中找尋對象發射到該畫素中的內容。從根本說明光線追蹤將空間查詢(spatial query)作為一種新功能加入GPU，這非常適合現實場景中的很多效果。光線是檢查你能否看到(直接或反射)一束光，從而確定該畫素是亮的或陰影，以及前面提到的反射。
如今GPU的關鍵在於使用著色器要非常的彈性，如果與通用處理器單元(GPU)形式的運算結合使用，則更加的彈性。GPU的特點一直都是如此，將半固定功能的硬體與完全可程式設計的著色器混合使用，從而獲得最佳的彈性和效率。
在圖形中光線、陰影和反射一直很普遍，從無陰影到斑駁陰影，再到體積模組以及更複雜的篩檢程式和多解析度查找，我們耗費了很長一段時間。現在，由於我們使用如此強大的運算性能和頻寬，使得成本攀升，而事實上使用真正的光線追蹤以達到良好的光線，其效果會更快、成本更低，且品質一定比著色器更好。
在Imagination的光線追蹤等級(Ray Tracing Levels)白皮書中，針對光線追蹤的使用提供了詳細的介紹。Imagination從一開始就考慮了電池供電設備的效率，所以重點一直是光線追蹤L4和L5高效解決方案。簡單來說，Imagination完全從著色器(L2和L3的解決方案僅能夠實現部份功能)上卸載了光線追蹤，並且在照射物體時使用同調性排序，以提高記憶體存取和執行效率。Imagination追蹤和處理的是成束的光線而非分散的光線，如果所有光線都朝著不同的方向發射，其效率是非常低的。
不光滑表面隱藏同調性示範
偽造的光線追蹤效果
根據一些關於陰影的技巧示範(例如無陰影、一些簡單的斑點、模組、更複雜的陰影貼圖)，雖然這些技術變得更複雜，但隨著所需的更高畫面品質，它們的缺點也越來越明顯。
這對於反射也是可行的：從無發射、偽造的模糊紋理查找、預烘焙立方體貼圖、動態立方體貼圖，甚至是部份軟體光線追蹤，例如螢幕空間反射。使用這種方法，你可以在螢幕空間內執行最少量的光線追蹤，使用方向向量和深度資訊來反射附近的物件物體(但並不適用螢幕上的所有物件)。
Imagination推出硬體級光線追蹤IP
2014年，Imagination Technologies成立了Plato Boards，並開始著手光線追蹤技術的開發，目前並積極透過高能效IP的開發，將光線追蹤技術推廣至各市場和平台。2015年，Imagination已將光線追蹤單元整合到GPU中，如Plato硬體平台。這意味著著色器會發出光線，專用的單元會採集許多光線並查找同調性。將沿著相似方向的光線綁定在一起，然後對這些光纖束進行統一處理，即可存取一個Bounding Volume Hierarchy (BVH)單元模組，首先檢查光纖束是否與3D場景相交(基本上是一個非常大的邊界框)，如果光線與3D場景相交，就沿著盒體的層次結構向下處理；整個場景就會分割成更小的盒體單元，然後再檢查這個盒體的層次結構。
如果光線束與盒體相交，將深入到盒體的層次結構中，直到最終該光束沒有任何阻礙，若光束已經不會擊中盒體內的任何地方，則可以透過快速排除場景內的大部份空間來節省時間和精力。當在某個點上看到越來越小的盒體時，會切換到實際的三角形幾何體，然後從盒體光線測試轉換到三角形光線測試。當然這是我們要找的光線實際交點，之後便將其返回著色器碼進行處理。
整合至遊戲引擎中是很簡單的，因為基本上發出光線是標準著色器程式碼的一部份，例如UE4引擎已經支援此一特性。我們還需要獲取場景資訊並創造BVH，這同樣是API的一部份，有點類似幾何處理，遊戲引擎透過API將幾何圖形提交給GPU和驅動程式進行處理。
Imagination提供的獨特性功能是同調性，例如光束處理與分塊渲染(Tile Based Rendering)類似，後者也將畫素組合在一起然後在晶片上處理。因此，從概念上看，分塊渲染和具有同調性排序的BVH處理L4光線追蹤解決方案非常相似，但是在頻寬和處理效率上具有很大的差異，遊戲引擎的性能會更高，效果更好。
為行動平台打造
當然，光線追蹤也是有區別的，但關鍵是光線仿造的效果成本更高，以至於使用專用的硬體功率更大、頻寬更高，處理效率也降低，這點對於行動裝置和PC端沒有什麼不同，使用純粹的著色器圖形技術已經不再是正確的選擇，而我們的L4方案其效率已超過了PC端，就像我們20多年前創建的分塊延遲渲染技術(TBDR)所帶來的效果，如今它已經成為渲染的業界標準(IMR也不再適用)。
透過增加同調性聚集處理的效率，可減少運算反射和光線相互作用的時間，這也減少了介面調用的次數，相對的也意味著可以在低功耗的硬體上運行。
對於行動平台，我們總是希望透過更少成本做更多的事，因為行動裝置的功耗和頻寬都是有限的，運用人工智慧和神經網路則可協助處理繪圖技術。很幸運的，我們為此開發了專用的加速器，並且能夠與開發者合作利用這些單元實現最佳的效果，針對其所使用的硬體平台提升圖形和光線追蹤效果。當然，我們還會不斷創新。
與硬體的相容性
我們的硬體會將DirectX和Vulkan所需和期望的標準考慮在內，這意味者硬體開發者不需提供尚未提供給其他廠商的服務。而與其他廠商不同的是，Imagination期望以更低的功耗和頻寬成本來實現，為開發者的其他任務預留更多的著色器時間。
提升的空間
製程技術的演化遇到了瓶頸，例如在實現更高密度以及3nm和5nm的電晶體時，頻寬和功率的成長速率並不相同，因此必須拿出解決方案在最有效的處理邏輯上執行工作負載，比如在CPU和GPU上處理的內容，以及傳遞給AI引擎處理的內容。我們也會看到更多的加速器誕生，比如Imagination的光線追蹤引擎，可以提供更高的處理效率，管理更多異質的處理資源。頻寬和數據流是很寶貴的，與同調性和分塊渲染一樣，我們一直在尋找將關鍵數據保留在晶片上避免使用外部功耗較高的DDR記憶體或HBM記憶體(功耗更高)。
我們持續透過更低的功耗來實現更高的FPS、用更低的處理頻寬和更低的功率實現更高的品質，而這也表示，我們的所有努力，目標都是達到最高的效率。
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