【導(dǎo)讀】實(shí)時(shí)渲染視頻級(jí)別的計(jì)算機(jī)三維圖形是計(jì)算圖形領(lǐng)域的終極目標(biāo)，與現(xiàn)在普遍使用的光柵化渲染技術(shù)相比，光線(xiàn)追蹤普遍被視為視覺(jué)技術(shù)的未來(lái)方向，可帶來(lái)近乎真實(shí)的真正電影級(jí)圖形和光影物理效果，光線(xiàn)追蹤算法是達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的圣杯，經(jīng)過(guò)幾十年的努力，終于要接近這個(gè)理想了。
光線(xiàn)追蹤的定義和原理
精美的CG效果圖，與真實(shí)，相信大家對(duì)這些并不陌生。而大家在游戲中對(duì)水面之類(lèi)的場(chǎng)景并不陌生，不過(guò)它所生成的畫(huà)面效果，好像永遠(yuǎn)都不那么真實(shí)。即使人們盡再大的努力，它的畫(huà)面始終還是動(dòng)畫(huà)，和人們心目中的“電影級(jí)別的畫(huà)質(zhì)”總是差那么一點(diǎn)。這是因?yàn)椋覀兡壳暗挠螒?，無(wú)一例外都在使用光柵化算法。而在這些電影中，則采用的是光線(xiàn)追蹤算法。在3DSMax、Maya、SoftimageXSI等軟件中，也都無(wú)一例外地采用了這一算法。
光線(xiàn)追蹤技術(shù)是由幾何光學(xué)通用技術(shù)衍生而來(lái)。它通過(guò)追蹤光線(xiàn)與物體表面發(fā)生的交互作用，得到光線(xiàn)經(jīng)過(guò)路徑的模型。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，3D技術(shù)里的光線(xiàn)追蹤算法，就是先假設(shè)屏幕內(nèi)的世界是真實(shí)的，顯示器是個(gè)透明的玻璃，只要找到屏幕內(nèi)能透過(guò)人眼的光線(xiàn)，加以追蹤就能構(gòu)建出完整的3D畫(huà)面。
說(shuō)到光線(xiàn)追蹤，就不得不提光柵化。
光柵化是指把景物模型的數(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)換至計(jì)算機(jī)屏幕上像素的過(guò)程。使用光柵化，我們可以將幾何圖形轉(zhuǎn)化成屏幕上的像素。
Direct3D使用掃描線(xiàn)的渲染來(lái)產(chǎn)生像素。當(dāng)頂點(diǎn)處理結(jié)束之后，所有的圖元將被轉(zhuǎn)化到屏幕空間，在屏幕空間的單位就是像素。點(diǎn)，線(xiàn)，三角形通過(guò)一組光柵規(guī)則被轉(zhuǎn)化成像素。光柵規(guī)則定義了一套統(tǒng)一的法則來(lái)產(chǎn)生像素。光柵得到的像素一般會(huì)攜帶深度值，一個(gè)RGB Adiffuse顏色，一個(gè)RGB specular顏色，一個(gè)霧化系數(shù)和一組或者多組紋理坐標(biāo)。這些值都會(huì)被傳給流水線(xiàn)的下一個(gè)階段像素的處理，然后注入到渲染目標(biāo)。由于實(shí)時(shí)3D渲染程序要求對(duì)用戶(hù)的即時(shí)操作做出迅速反應(yīng)，因此通常要求每秒至少20幀以上的渲染速率，這也使得高效率的“光柵化”渲染技術(shù)成為當(dāng)今最受青睞的3D即時(shí)成像技術(shù)。但是光柵化的缺點(diǎn)也很明顯，那就是無(wú)法計(jì)算真實(shí)的光線(xiàn)，導(dǎo)致很多地方失真。
光線(xiàn)追蹤算法分為兩種：正向追蹤算法和反向追蹤算法。
其中，正向追蹤算法是大自然的光線(xiàn)追蹤方式，即由光源發(fā)出的光經(jīng)環(huán)境景物間的多次反射、透射后投射到景物表面，最終進(jìn)入人眼。
反向追蹤算法正好相反，它是從觀(guān)察者的角度出發(fā)，只追蹤那些觀(guān)察者所能看見(jiàn)的表面投射光。就目前而言，所有3D制作軟件的光線(xiàn)追蹤算法都是采用反向追蹤法，原因是這種算法能夠最大程度地節(jié)省計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)資源，而且不會(huì)導(dǎo)致渲染質(zhì)量的下降。
在現(xiàn)實(shí)世界中射到物體表面上通常有三種情況：折射，反射，吸收。光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)反射到不同的地方，被選擇性吸收，從而光譜發(fā)生改變，再多次反射與折射，最終進(jìn)入我們自己的眼睛。而光線(xiàn)追蹤技術(shù)要做的就是模擬這一過(guò)程。
在渲染中，光線(xiàn)追蹤會(huì)賦予每一個(gè)像素幾條甚至幾十條光線(xiàn)，然后光在場(chǎng)景中傳播，與場(chǎng)景中各個(gè)物體產(chǎn)生交匯，而場(chǎng)景中的物體在事先就已經(jīng)被開(kāi)發(fā)者設(shè)置好了屬性，從而導(dǎo)致光束發(fā)生各種改變，最終聚集在屏幕上。從而被我們感知。
而反向追蹤方式則是計(jì)算最終射入我們眼睛的光線(xiàn)的反向光路，即眼睛—物體—光源的過(guò)程。因?yàn)檫@么做的話(huà)，可以省掉很多并不需要計(jì)算的光路，在光線(xiàn)追蹤中，并不是每一束光都有用。有些光最終并沒(méi)有射入我們自己的眼睛，但是如果依舊計(jì)算的話(huà)就會(huì)造成不必要的計(jì)算資源浪費(fèi)。在光線(xiàn)追蹤中，光同樣也被分類(lèi)，假設(shè)一條主光線(xiàn)是不可見(jiàn)的，那么系統(tǒng)則會(huì)拋棄掉整條光路，如果可見(jiàn)的話(huà)，那么輔助光線(xiàn)（反射，折射，陰影）的計(jì)算就開(kāi)始了。在完成主光線(xiàn)的判別之后，輔助光線(xiàn)的其他屬性（透明度，色彩）操作也已經(jīng)基本完成了。
光線(xiàn)追蹤在圖形渲染中的應(yīng)用
將光線(xiàn)追蹤算法應(yīng)用于圖形渲染最初是由Arthur Appel于1968年提出，那時(shí)還叫ray casting。
1979年Turner Whitted帶來(lái)了新的研究突破：遞歸光線(xiàn)追蹤算法《Recursive RayTracing Algorithm》。
1984年，Carpenter等人發(fā)表了一篇分布式光線(xiàn)追蹤的論文《Distributed RayTracing》，影響甚廣。發(fā)展到今天，大多數(shù)的照片級(jí)渲染系統(tǒng)都是基于光線(xiàn)追蹤算法的?；镜墓饩€(xiàn)追蹤算法并不難，相信大部分計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的同學(xué)都寫(xiě)過(guò)的，難的是如何優(yōu)化提高效率。
說(shuō)到皮克斯直到《汽車(chē)總動(dòng)員》才開(kāi)始大規(guī)模使用光線(xiàn)追蹤。皮克斯的《汽車(chē)總動(dòng)員》于2006年6月在美國(guó)上映，如今已經(jīng)8年多過(guò)去了。皮克斯一直使用的是自家開(kāi)發(fā)的渲染器RenderMan，基于REYES(Renders Everything You Ever Saw)。
REYES是另一種渲染算法，它對(duì)于處理復(fù)雜場(chǎng)景非常高效。
1984年的時(shí)候皮克斯有考慮過(guò)光線(xiàn)追蹤，但最終還是堅(jiān)持使用REYES。那篇關(guān)于《汽車(chē)總動(dòng)員》的論文《RayTracing for the Movie“Cars”》里提到五年前他們就啟動(dòng)了添加光線(xiàn)追蹤功能到RenderMan這個(gè)項(xiàng)目，同期《汽車(chē)總動(dòng)員》正在制作中。REYES在處理反射強(qiáng)烈的汽車(chē)表面材質(zhì)方面有些捉襟見(jiàn)肘，只能用環(huán)境貼圖，但仍然達(dá)不到光滑閃耀的質(zhì)感。而這正是光線(xiàn)追蹤擅長(zhǎng)的。
下面介紹幾個(gè)使用光線(xiàn)追蹤的主流渲染器：
Mentalray，NVIDIA出品，已經(jīng)集成到3D建模軟件Autodesk的Maya和3ds Max中。
Arnold近些年日漸風(fēng)行，Sony Pictures Imageworks，Digital Domain，ILM，Luma Pictures等著名特效公司均有使用該渲染器。
VRay，比Arnold大眾一點(diǎn)，近幾年也在瘋長(zhǎng)，它目前有CPU版本和GPU版本（V-Ray和V-Ray RTGPU）。
光線(xiàn)追蹤目前多用于影視特效中做靜幀渲染，但對(duì)大眾最有影響的3D圖形游戲領(lǐng)域顯然還沒(méi)有光線(xiàn)追蹤的蹤影，這是為什么呢？
光線(xiàn)追蹤遲遲不能應(yīng)用在游戲行業(yè)中的原因很簡(jiǎn)單——它那恐怖的計(jì)算量。即便是用了反向追蹤算法之后也是如此。
根據(jù)Intel的說(shuō)法，要用光線(xiàn)追蹤渲染出達(dá)到現(xiàn)代游戲的畫(huà)面質(zhì)量，同時(shí)跑出可流暢運(yùn)行的幀數(shù)，每秒需要計(jì)算大概10億束光線(xiàn)。這個(gè)數(shù)字包括每幀每像素需要大概30束不同的光線(xiàn)，分別用來(lái)計(jì)算著色、光照跟其它各種特效，按照這個(gè)公式，在1024×768這樣的入門(mén)級(jí)分辨率下，一共有786432個(gè)像素，乘以每像素30束光線(xiàn)以及每秒60幀，我們就需要每秒能運(yùn)算141.5億束光線(xiàn)的硬件。
而即便到了今天，頂級(jí)的Corei7每秒能處理的光線(xiàn)還不足千萬(wàn)條。而且這只是運(yùn)算量上的差距，由于光線(xiàn)追蹤的輔助光線(xiàn)每一條都沒(méi)有任何相關(guān)性，這意味著包括各種緩存技術(shù)在內(nèi)的“投機(jī)取巧”方式都沒(méi)有用武之地，計(jì)算光線(xiàn)追蹤輔助光線(xiàn)的所有的計(jì)算都將直接讀取內(nèi)存，這對(duì)于內(nèi)存延遲和帶寬來(lái)說(shuō)都是驚人的考驗(yàn)。而且對(duì)于顯存容量也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，十幾甚至幾十GB的顯存會(huì)變的非常有必要。
雖然在游戲領(lǐng)域引入光線(xiàn)追蹤是有極大挑戰(zhàn)的事情，但這項(xiàng)技術(shù)一直有研究機(jī)構(gòu)和圖形處理器廠(chǎng)商在投入研究。光線(xiàn)追蹤若想要應(yīng)用到游戲中就需要做到實(shí)時(shí)渲染，就是大家所說(shuō)的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤（Real-time raytracing）。
光線(xiàn)追蹤算法前面說(shuō)過(guò)了，那什么樣才是實(shí)時(shí)的？
6FPS左右就可以產(chǎn)生交互感，15FPS可稱(chēng)得上實(shí)時(shí)，30fps不太卡，60FPS感覺(jué)平滑流暢，72FPS再往上肉眼就已經(jīng)分辨不出差別。
所謂實(shí)時(shí)就是需要達(dá)到每秒渲染30幀以上，否則就達(dá)不到畫(huà)面的流暢度要求，就沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。實(shí)時(shí)的光線(xiàn)追蹤的難點(diǎn)就在于場(chǎng)景復(fù)雜度和需要的真實(shí)感渲染效果決定了遍歷和相交檢測(cè)的巨大計(jì)算量（場(chǎng)景分割數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)和光線(xiàn)與場(chǎng)景的相交測(cè)試是兩項(xiàng)主要計(jì)算）。
這是渲染領(lǐng)域以及任何模擬計(jì)算領(lǐng)域里終極的矛盾：效率和質(zhì)量的矛盾。
實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤技術(shù)發(fā)展歷史
隨著德國(guó)薩爾蘭大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形小組所開(kāi)發(fā)的OpenRT庫(kù)的完成，光線(xiàn)追蹤技術(shù)應(yīng)用在電腦游戲的實(shí)時(shí)渲染中在理論上逐漸成為可能。
OpenRT函數(shù)庫(kù)是源自薩爾蘭大學(xué)的一個(gè)計(jì)算機(jī)圖形小組的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤項(xiàng)目，OpenRT實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤項(xiàng)目的目標(biāo)是為3D游戲加入實(shí)時(shí)的光線(xiàn)追蹤效果，該項(xiàng)目會(huì)包含以下幾個(gè)部分：一個(gè)高效的光線(xiàn)追蹤處理核心、以及語(yǔ)法與目前OpenGL類(lèi)似的OpenRT 應(yīng)用程序接口，客戶(hù)程序員通過(guò)這部分接觸之前高效的光線(xiàn)追蹤處理核心的功能，并在游戲場(chǎng)景設(shè)計(jì)中調(diào)用這些應(yīng)用程序接口。
薩爾蘭大學(xué)除了開(kāi)發(fā)出了OpenRT函數(shù)庫(kù)外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤的硬件架構(gòu)——SaarCOR。SaarCOR研究小組在2005年的SIGGRAPH上展示了第一個(gè)實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤加速硬件——RPU（Ray Processing Unit）。
RPU跟GPU一樣都是完全可編程架構(gòu)，能夠提供對(duì)材質(zhì)、幾何以及光照等的實(shí)時(shí)編程支持。
RPU除了具有傳統(tǒng)GPU的高效性外，最引人矚目的就是支持光線(xiàn)追蹤計(jì)術(shù)。其使用的指令集跟GPU一樣，因此也能夠?qū)χ绦蜃鲎罴鸦幚怼?/div>
[page]
此外，由于集成了專(zhuān)用的硬件單元，RPU可以支持高速光線(xiàn)跟蹤算法跟遞歸函數(shù)調(diào)用，對(duì)于遞歸光線(xiàn)追蹤算法同樣行之有效。為了提高執(zhí)行效率，RPU通常將4束光線(xiàn)打包處理，同時(shí)多線(xiàn)程計(jì)術(shù)的支持也保證了硬件資源的高效利用。
SaarCOR在SIGGRAPH 2005展示的RPU原型機(jī)用FPGA來(lái)構(gòu)建，頻率運(yùn)行在66MHz，內(nèi)存帶寬也只有350MB/s，但是得益于特別設(shè)計(jì)的專(zhuān)用架構(gòu)，其性能可以跟P4 2.6G的CPU跑OpenRT軟件光線(xiàn)追蹤的性能相媲美。
這樣的性能充分體現(xiàn)出RPU架構(gòu)在處理光線(xiàn)追蹤方面的高效性，要知道NV當(dāng)時(shí)的高端GPU可是具有RPU原型機(jī)23倍的浮點(diǎn)運(yùn)算能力以及100多倍的帶寬。
更令人興奮的是，由于光線(xiàn)追蹤特別適用于并行處理的天生特性，RPU可以像CPU一樣采用多核架構(gòu)，原型機(jī)可以搭配不同數(shù)量的FPGA芯片，比如兩片F(xiàn)PGA就可以提供雙倍于單FPGA的運(yùn)算能力，而SaarCOR試驗(yàn)室已經(jīng)測(cè)試過(guò)四FPGA的原型機(jī)。
就在SaarCOR展示了RPU之后不久，這個(gè)研究計(jì)劃的人員接觸到了IBM德國(guó)的技術(shù)人員，獲得了一臺(tái)擁有一枚CELL處理器的工程樣機(jī)。在IBM技術(shù)人員的協(xié)助下，SaarCOR在短短兩周的時(shí)間里就在這臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)了全屏的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤渲染效果。SaarCOR的研究人員目前已經(jīng)在Cinema 4D上以插件方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤。他們還透露了另外一個(gè)鮮為人知的消息，那就是SaarCOR其實(shí)獲得了NVIDIA 2.5萬(wàn)美元的贊助，之前的FPGA原型其實(shí)就是在NVIDIA資助下進(jìn)行的。SaarCOR至今未能量產(chǎn)，隨后SaarCOR項(xiàng)目并入了OpenRT光線(xiàn)追蹤開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中。
早在十多年前的2004年，德國(guó)青年 Daniel Pohl將一款電腦游戲應(yīng)用光線(xiàn)追蹤技術(shù)作為其學(xué)術(shù)研究項(xiàng)目。因?yàn)镮D software的開(kāi)源，所以《Quake3》成為了他的選擇，并開(kāi)始移植。
他用OpenRT對(duì)其渲染核心進(jìn)行改造，令人驚訝的是在《Quake3》傳統(tǒng)的光柵化渲染上實(shí)現(xiàn)光線(xiàn)追蹤居然顯得出奇的簡(jiǎn)單。例如在每個(gè)像素的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)陰影僅需要10行左右的代碼指令來(lái)描述光線(xiàn)追蹤的模型。光線(xiàn)追蹤技術(shù)的加入令整個(gè)游戲的光影效果煥然一新。畫(huà)面甚至超過(guò)了很多后來(lái)發(fā)布的新游戲。之后的幾年里，Daniel Pohl更將注意力放到了《Quake 4》、《Quake War》等游戲上，試圖在這些游戲中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤算法。有趣的是，Daniel Pohl的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤技術(shù)完全不依賴(lài)于GPU，僅僅是借助多核CPU的運(yùn)算能力。也正因?yàn)槿绱?，Daniel Pohl隨后被Intel高薪聘用，正式加盟其“視覺(jué)運(yùn)算部”，由此可以看出Intel決心令實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤成為現(xiàn)實(shí)。
Intel想進(jìn)軍獨(dú)立顯卡市場(chǎng)已經(jīng)不是一天兩天了。上世紀(jì)末intel就曾經(jīng)出過(guò)一款獨(dú)顯，名叫i740。但是也僅僅就這一款而已。一心想要重返顯卡市場(chǎng)的intel想以光線(xiàn)追蹤來(lái)抗衡AMD與NVIDIA，所以研究光線(xiàn)追蹤的天才程序員DanielPohl被intel收歸門(mén)下，進(jìn)行顯卡的開(kāi)發(fā)。
在2007年的IDF上，Intel正式揭開(kāi)獨(dú)立顯卡——代號(hào)“Larrabee”的神秘面紗，Larrabee隸屬于其萬(wàn)億次運(yùn)算項(xiàng)目（Tera-scale），也將是Intel的第一款實(shí)用級(jí)萬(wàn)億次運(yùn)算處理器，其處理能力“大大超過(guò)”一萬(wàn)億次浮點(diǎn)每秒；根據(jù)Intel首席架構(gòu)師EdDavis的演示文稿，Larrabee基于可編程架構(gòu)，主要面向高端通用目的計(jì)算平臺(tái)，至少有16個(gè)核心，主頻1.7-2.5GHz，功耗則在150W以上，支持JPEG紋理、物理加速、反鋸齒、增強(qiáng)AI、光線(xiàn)追蹤等特性。
由于天生的CPU傳統(tǒng)架構(gòu)血統(tǒng)，Larrabee特別適合用來(lái)計(jì)算光線(xiàn)追蹤。
在IDF2007的技術(shù)演示中，Intel也特意大張旗鼓地宣傳Larrabee在實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤領(lǐng)域所取得的最新成就。但是Larrabee卻并沒(méi)有想象中的那么順利，在2009年的IDF大會(huì)上，我們看到了新的Corei7系列，Atom雙核，而Larrabee卻被冷落在一旁，這不得不令人惋惜。、
作為一款中途夭折的產(chǎn)品，Larrabee在很多人的心目中應(yīng)該一直都保留著幾分神秘色彩，最后該項(xiàng)目的不了了之，還是給實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤的發(fā)展帶來(lái)了些許遺憾。大家也都知道最后Larrabee的技術(shù)是用到了“眾核架構(gòu)”(MIC)的XeonPhi協(xié)處理器當(dāng)中，成為Intel在高性能計(jì)算領(lǐng)域和GPU廠(chǎng)商的加速卡競(jìng)爭(zhēng)的利器
就在Larrabee項(xiàng)目中途夭折以后，實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤技術(shù)似乎裹足不前了。但在2009年3月，一家名不見(jiàn)經(jīng)傳的初創(chuàng)公司Caustic Graphics突然浮出水面，帶來(lái)了一種具有突破性意義的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤軟硬件解決方案，號(hào)稱(chēng)可提速200倍，業(yè)內(nèi)震驚。
其管理團(tuán)隊(duì)聚集了來(lái)自蘋(píng)果、Autodesk、ATI、Intel、NVIDIA等業(yè)界巨頭的技術(shù)與圖形專(zhuān)家，三位創(chuàng)始人James McCombe、Luke Peterson、Ryan Salsbury曾經(jīng)在蘋(píng)果共事，其中McCombe被譽(yù)為是OpenGL世界的“第三號(hào)人物”，同時(shí)也是iPhone、iPod等嵌入式、低功耗平臺(tái)光柵化渲染算法的首席架構(gòu)師。
CausticGraphics聲稱(chēng)一舉解決了光線(xiàn)追蹤算法效率低下的難題。
根據(jù)該公司的說(shuō)法，他們的算法之所以獨(dú)特是因?yàn)樗鉀Q了傳統(tǒng)光線(xiàn)追蹤算法偏向隨機(jī)性的問(wèn)題。新算法大幅提高了光線(xiàn)追蹤計(jì)算的局部性，但這部分的算法需要一顆協(xié)處理器來(lái)完成。Caustic Graphics的工程師們相當(dāng)明智，他們對(duì)于該硬件的定位僅僅是一顆專(zhuān)注于光線(xiàn)追蹤運(yùn)算的協(xié)處理器，而絕不會(huì)干越俎代庖的蠢事，著色之類(lèi)的傳統(tǒng)光柵化處理依舊由GPU來(lái)完成。
除此以外，在2009年8月的SIGGRAPH會(huì)議上，圖形處理器巨頭Nvidia發(fā)布了OptiX，這是一個(gè)基于Nvidia GPU的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤加速引擎。
在功能上，Optix引擎與前面介紹的OpenRT類(lèi)似，都是一組光線(xiàn)追蹤的函數(shù)庫(kù)，Nvidia在介紹中說(shuō)optix引擎基于CUDA架構(gòu)，開(kāi)發(fā)者可以使用C語(yǔ)言編程，創(chuàng)造出基于GPU運(yùn)算的光線(xiàn)追蹤應(yīng)用。我們有足夠的理由相信，Optix所用的光線(xiàn)追蹤模型，極有可能與SAARCOR的OpenRT 引擎相同，或者說(shuō)OPTIX只是OpenRT的NVIDIA商用化版本。但由于光線(xiàn)追蹤的算法和傳統(tǒng)光柵化處理算法區(qū)別較大，現(xiàn)有SIMD架構(gòu)的GPU內(nèi)核在計(jì)算光線(xiàn)追蹤算法時(shí)的效率不高，完全用傳統(tǒng)GPU來(lái)加速光線(xiàn)追蹤的做法至今也沒(méi)有成功進(jìn)入游戲領(lǐng)域。
另外，NVIDIA目前已經(jīng)有virtual GPU技術(shù)，類(lèi)似于云計(jì)算，不需要本地的GPU，但該技術(shù)進(jìn)入大眾消費(fèi)市場(chǎng)應(yīng)該還有很長(zhǎng)的路要走。
Imagination夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)
可能很多人不知道的是，在移動(dòng)GPU領(lǐng)域呼風(fēng)喚雨的另一個(gè)隱形巨頭Imagination，其實(shí)也在努力摘取這個(gè)3D圖像處理皇冠上的明珠，只不過(guò)它的做法比較出人意料，在2010年底突然收購(gòu)了前文介紹過(guò)的創(chuàng)業(yè)公司Caustic Graphics，并在2013年初推出了光線(xiàn)追蹤專(zhuān)用加速卡，不過(guò)該產(chǎn)品只針對(duì)專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)，并未掀起業(yè)界的大波瀾。但在去年3月的GDC2014游戲開(kāi)發(fā)者大會(huì)上，Imagination正式發(fā)布了全新的“PowerVR Wizard”GPU家族，號(hào)稱(chēng)可在適合移動(dòng)、嵌入式應(yīng)用的功耗水平下，提供高性能的光線(xiàn)追蹤、圖形和計(jì)算能力，這次真正震動(dòng)了業(yè)界（筆者看到這個(gè)新聞的時(shí)候的確是不敢相信）。
新家族的第一名成員是PowerVR GR6500，基于最新一代的四陣列移動(dòng)GPU PowerVR Rogue設(shè)計(jì)而來(lái)，整合了PowerVR Series6 XT系列的所有特性，并加入了強(qiáng)大的光線(xiàn)追蹤硬件加速電路。
硬件的優(yōu)化可以分為采用GPU和SIMD的優(yōu)化以及專(zhuān)門(mén)的光線(xiàn)追蹤硬件。前者就是對(duì)軟件算法進(jìn)行針對(duì)GPU或SIMD的優(yōu)化，同時(shí)一些并行環(huán)境下的數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)和其他基本算法，如排序等也間接起到了加速的作用。后者就是指將光線(xiàn)追蹤中獨(dú)有的相交檢測(cè)，場(chǎng)景分割等部分采用專(zhuān)門(mén)的硬件來(lái)優(yōu)化，G6500就是使用后面一種優(yōu)化，這些專(zhuān)用加速電路包括：
光線(xiàn)數(shù)據(jù)主控（Ray Data Master）：為主調(diào)度器提供光線(xiàn)交互數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備給著色器執(zhí)行，并評(píng)估光線(xiàn)的最終數(shù)據(jù)屬性。
光線(xiàn)追蹤單元（Ray Tracing Unit）：使用固定函數(shù)(不可編程)執(zhí)行光線(xiàn)追蹤遍歷隊(duì)列，并匯總光線(xiàn)一致性，以降低功耗和帶寬需求。
場(chǎng)景層次生成器（Scene Hierarchy Generator）：加速動(dòng)態(tài)物體的更新。
幀收集器緩存（Frame Accumulator Cache）：提供對(duì)幀緩沖的寫(xiě)入合并松散式訪(fǎng)問(wèn)。
從芯片的架構(gòu)圖圖可以看出，所有這些設(shè)計(jì)都可以和GPU架構(gòu)的其他模塊高效整合、完美通信，生成實(shí)時(shí)、交互的光線(xiàn)追蹤畫(huà)面，而且不僅適用于移動(dòng)、嵌入式平臺(tái)，還能擴(kuò)展到主機(jī)和主流游戲PC。更重要的是，這些模塊不會(huì)影響傳統(tǒng)圖形流水線(xiàn)的著色性能，因?yàn)樗鼈儾⒎且蕾?lài)著色器的浮點(diǎn)性能來(lái)執(zhí)行光線(xiàn)追蹤，效率最多可以達(dá)到純GPU計(jì)算或者軟件算法的100倍。
那么，PowerVR GR6500的光線(xiàn)追蹤性能究竟如何呢？
Imagination宣稱(chēng)，600MHz頻率下每秒可追蹤最多3億束光線(xiàn)，進(jìn)行240億次節(jié)點(diǎn)測(cè)試，生成1億個(gè)動(dòng)態(tài)三角形。由于還沒(méi)有實(shí)體的芯片問(wèn)世，現(xiàn)在只有理論數(shù)值。當(dāng)年Caustic Graphics曾經(jīng)透露，完全光線(xiàn)追蹤化的游戲引擎還得等很多年，并估計(jì)至少四五年后他們的硬件才能在1920×1080分辨率下達(dá)到60FPS的有效幀率。
當(dāng)時(shí)是2009年，這兩年正好是這個(gè)時(shí)候，我們相信由于Imagination的支持，性能應(yīng)該能夠達(dá)到當(dāng)年Caustic Graphics的預(yù)測(cè)水平，從而達(dá)到主流游戲的運(yùn)行要求。
Imagination還開(kāi)發(fā)了跨平臺(tái)的OpenRL API，并放出了SDK，希望開(kāi)發(fā)人員能夠參與其中。
據(jù)說(shuō)OpenRL還在申請(qǐng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，希望成為OpenGL這樣的跨平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)API。當(dāng)然這個(gè)API也是來(lái)自于原來(lái)Caustic Graphics的軟件開(kāi)發(fā)層Caustic GL，由于其創(chuàng)始人具有非常強(qiáng)的OpenGL專(zhuān)業(yè)背景，Caustic并沒(méi)有自己去開(kāi)發(fā)一套專(zhuān)用的API，而是基于OpenGL ES2.0編寫(xiě)擴(kuò)展子集，并將其命名為Caustic GL。
采用OpenRL的最大優(yōu)勢(shì)，就是允許開(kāi)發(fā)人員像往常編寫(xiě)著色程序那樣來(lái)編寫(xiě)新的光線(xiàn)追蹤著色程序，而一些原本非常復(fù)雜的光影著色程序（用于創(chuàng)建復(fù)雜的光照跟投影效果）則可以由簡(jiǎn)單的光線(xiàn)追蹤著色程序來(lái)代替，這樣既可以減輕程序員的負(fù)擔(dān)還可以提升硬件效率。
開(kāi)發(fā)人員還可以將OpenRL與其他圖形API相結(jié)合，比如OpenGL3/3.1，未來(lái)甚至能夠與DX混合調(diào)用。另一個(gè)有趣的特性是OpenRL并非光線(xiàn)追蹤硬件加速電路專(zhuān)用，它同樣支持GPU，所以在沒(méi)有硬件加速電路的系統(tǒng)里，光線(xiàn)追蹤計(jì)算也可以交由GPU來(lái)負(fù)責(zé)，當(dāng)然效率將大打折扣。
從以上的介紹我們可以看出Imagination已經(jīng)徹底把CausticGraphics的軟硬件技術(shù)集成到自己的GPU里面，并由此提供了極具競(jìng)爭(zhēng)力的實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤性能，而仍舊保持了低功耗和低成本的特色，將會(huì)給整個(gè)圖形市場(chǎng)帶來(lái)顛覆性的影響。
移動(dòng)GPU第一次走在了桌面GPU的前面，相信這對(duì)于Imagination擴(kuò)大整體GPU市場(chǎng)占有率會(huì)帶來(lái)極大的推動(dòng)力。Imagination也可以借此進(jìn)入被NV和AMD所把持的桌面和專(zhuān)業(yè)圖形市場(chǎng)。
當(dāng)年ARM處理器由于性能不佳，只能退守深耕移動(dòng)和嵌入式市場(chǎng)，不料反倒獲得巨大成功成為當(dāng)代最有影響力的處理器指令集架構(gòu)，甚至開(kāi)始進(jìn)軍桌面和服務(wù)器市場(chǎng)，Imagination似乎也開(kāi)始走上了這條逆襲之路。
