重新定义手机游戏规则,首款光线追蹤 GPU——IMG CXT

2021 年 11 月初,Imagination 宣布了 GPU 历史上的一个重要里程碑:即「IMG CXT」,首款可支援光线追蹤的 GPU IP 并已开放授权。众所周知,自 3D 图形开始以来,使用光线追蹤进行实时渲染一直是目标。这是因为

2021 年 11 月初,Imagination 宣布了 GPU 历史上的一个重要里程碑:即「IMG CXT」,首款可支援光线追蹤的 GPU IP 并已开放授权。

众所周知,自 3D 图形开始以来,使用光线追蹤进行实时渲染一直是目标。这是因为透过模仿光线在现实世界中的行为,光线追蹤可以创造出比传统光栅化更準确、更逼真的 3D 视觉效果。

彻底改变游戏视觉效果

透过光线追蹤,游戏不仅变得更加真实,精确的照明可以创建更自然的阴影和反射,有助于将角色和物体融入 3D 场景。它可以使所有内容看起来更漂亮,并且不那么地「游戏化」,使游戏更接近我们习惯在电影中看到的图像品质。

在游戏之外,光线追蹤有望改变家居设计和建筑等领域的 3D 可视化。想像一下,在样品间设计你完美的厨房。现在,不再需要等待逼真的 3D 渲染,这一切都可以即时处理,甚至可以在手机或平板电脑上完成。除了 3D 图形,光线追蹤甚至可以用于音频,透过测量声音在房间周围的反弹方式,以及考虑材料吸收音量的质量来增强真实感。 

不单单是游戏玩家喜欢更逼真的视觉效果,对于开发人员来说,光线追蹤提供了更简单、更高效的工作流程,进而节省了他们的时间。作为一种更纯粹、更优雅的照明方法,光线追蹤的概念早于光栅化,但由于其计算複杂性,直到近几年才在大型、複杂和强大的桌机及最新硬体上使用。不过,这些显卡板的实际功率範围远远超出低功耗,更遑论最佳化行动设备了,因此这些晶片製造商声称光线追蹤尚未準备好应用在手机上,也就不足为奇。

约 2015 年左右,业界甚至认为 3D 图形根本无法在行动设备上完成。但是,行动装置一直是 Imagination 擅长的领域。基于分块的延迟渲染 (TBDR) 方法开启了智慧手机革命,即使在寿命和热性能限制非常严格的设备中,也能实现强大的 3D 图形。TBDR 完全消除了即时模式渲染器的低效过度绘製问题:耗费大量时间为像素着色,而这些像素隐藏在靠近相机的物体后面,而用户在萤幕上永远不会看到这些像素。IMG CXT 则代表了 PowerVR TBDR 架构的演进巅峰,同时引入了行动图形发展的下一阶段:光线追蹤。

行动光线追蹤的到来

经过十年的创新开发工作,Imagination 推出了 IMG CXT,这是其首款将光线追蹤加速硬体紧密集成到晶片中的 GPU 核心。但在讨论其光线追蹤功能之前,重要的是要意识到 CXT 是相比于传统光栅化的超快 GPU。它建立在 Imagination  A 系列和 B 系列 GPU 的基础上,这些 GPU 採用了超宽 ALU,最佳化的纹理处理单元,可配置的快取大小和改进的压缩算法,与前几代相比,在功耗、性能、面积和频宽(PPAB)效率方面展现重大提升。

B 系列 GPU 实现诸多最佳化和改进,例如基于多核和小晶片,其灵活可扩展性特点可实现从嵌入式到桌机级别的解决方案,还透过进一步的微架构调整和物理设计最佳化提高了计算效率。因此,B 系列仍然是市场上用于光栅化的顶级 GPU。

CXT 则代表了 Imagination 的顶级设计,通过进一步的微架构调整,它提供了比上一代产品高出 50% 的几何图形和计算能力,同时引入了最新的图形渲染,即光线追蹤。

▲CXT 的运算和纹理处理单元从上一代的 4 个增加到 6 个,以及一个额外的几何栅格单元。

由于光线追蹤仍然是一项计算成本非常高的技术,IMG CXT 採用混合方法进行 3D 渲染。自 2018 年底以来,这已在全球桌上型个人电脑市场上推出,不过 Imagination 早在 2016 年就基于其 “Wizard” 架构的 “Plato” 开发板上进行了首次运行展示。它于 2014 年第一次亮相,是第一个引入混合渲染概念的设计——将光线追蹤功能与传统光栅化相结合。

▲光线追蹤等级系统。

CXT 是这种设计的演变,并具有 Photon 光线追蹤架构,该架构提供了许多专用于加速光线追蹤的硅模块,比桌机级架构可能有的方式更节能。由于并非所有光线追蹤解决方案都是平等的,Imagination 建立了光线追蹤等级系统。这确定了六个级别的光线追蹤,从纯软体的 0 级到 5 级,并且由于 Photon 架构的光线加速集群,IMG CXT 位于 4 级。 如果想深入了解 Photon 架构的更多资讯, Imagination 另有一份详细的白皮书,解释了混合渲染的原理以及如何实现光线追蹤加速。

总而言之,RAC 提供的硬体加速了光线通过边界框层次结构,这是有效加速光线追蹤所必需的。独一无二的是,它具有数据一致性丛集单元,该单元可识别反射光线中的一致性,并将它们打包在一起以充分利用记忆体频宽。但这种一致性丛集单元就是我们在行动功率预算中,以足够有效的性能提供光线追蹤的方法。多亏了这一点,当谈到可用的行动效能时,IMG CXT 是市面上唯一的游戏玩家。

与 Imagination 之前的所有 IP 核心一样,CXT 是汽车领域的绝佳解决方案,并且由于引入了光线追蹤,情况更是如此。光线追蹤将在渲染複杂的曲面(如汽车车身)时实现更高的效率,使其成为逼真光线追蹤汽车渲染的理想选择,可在仪表板宽萤幕上完美呈现车辆。

支援 Vulkan®

CXT 完全支援用于光线追蹤的 Vulkan API,处理光线查询和光线追蹤的光线管线实现,因此无论应用程式是针对行动装置还是桌机,CXT 都能够支援。这将有助于为应用程式提供更逼真的阴影和反射,以及光线追蹤全局照明,以实现真正身临其境的真实视觉效果。

多年来,Imagination 一直期望游戏机和桌上型个人电脑上的图形品质水準最终会应用到行动装置上,现在光线追蹤这项技术已经进入市场开放授权,更令人迫不及待地想看到这项技术落实到每个人的手中。

在下一篇文章中,将介绍光线追蹤可以带来更多深度的一些视觉增强功能,以及它将为开发人员带来的时间节省效率。立即阅读

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