重新定義手機遊戲規則,首款光線追蹤 GPU—IMG CXT

Imagination 推出了 IMG CXT,這是其首款將光線追蹤加速硬體緊密集成到晶片中的 GPU 核心。
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Photo Credit:Imagination
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2021 年 11 月初,Imagination 宣布了 GPU 歷史上的一個重要里程碑:即「IMG CXT」,首款可支援光線追蹤的 GPU IP 並已開放授權。

眾所周知,自 3D 圖形開始以來,使用光線追蹤進行實時渲染一直是目標。這是因為透過模仿光線在現實世界中的行為,光線追蹤可以創造出比傳統光柵化更準確、更逼真的 3D 視覺效果。

徹底改變遊戲視覺效果

透過光線追蹤,遊戲不僅變得更加真實,精確的照明可以創建更自然的陰影和反射,有助於將角色和物體融入 3D 場景。它可以使所有內容看起來更漂亮,並且不那麼地「遊戲化」,使遊戲更接近我們習慣在電影中看到的圖像品質。

在遊戲之外,光線追蹤有望改變家居設計和建築等領域的 3D 可視化。想像一下,在樣品間設計你完美的廚房。現在,不再需要等待逼真的 3D 渲染,這一切都可以即時處理,甚至可以在手機或平板電腦上完成。除了 3D 圖形,光線追蹤甚至可以用於音頻,透過測量聲音在房間周圍的反彈方式,以及考慮材料吸收音量的質量來增強真實感。 

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不單單是遊戲玩家喜歡更逼真的視覺效果,對於開發人員來說,光線追蹤提供了更簡單、更高效的工作流程,進而節省了他們的時間。作為一種更純粹、更優雅的照明方法,光線追蹤的概念早於光柵化,但由於其計算複雜性,直到近幾年才在大型、複雜和強大的桌機及最新硬體上使用。不過,這些顯卡板的實際功率範圍遠遠超出低功耗,更遑論最佳化行動設備了,因此這些晶片製造商聲稱光線追蹤尚未準備好應用在手機上,也就不足為奇。

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約 2015 年左右,業界甚至認為 3D 圖形根本無法在行動設備上完成。但是,行動裝置一直是 Imagination 擅長的領域。基於分塊的延遲渲染 (TBDR) 方法開啟了智慧手機革命,即使在壽命和熱性能限制非常嚴格的設備中,也能實現強大的 3D 圖形。TBDR 完全消除了即時模式渲染器的低效過度繪製問題:耗費大量時間為像素著色,而這些像素隱藏在靠近相機的物體後面,而用戶在螢幕上永遠不會看到這些像素。IMG CXT 則代表了 PowerVR TBDR 架構的演進巔峰,同時引入了行動圖形發展的下一階段:光線追蹤。

行動光線追蹤的到來

經過十年的創新開發工作,Imagination 推出了 IMG CXT,這是其首款將光線追蹤加速硬體緊密集成到晶片中的 GPU 核心。但在討論其光線追蹤功能之前,重要的是要意識到 CXT 是相比於傳統光柵化的超快 GPU。它建立在 Imagination  A 系列B 系列 GPU 的基礎上,這些 GPU 採用了超寬 ALU,最佳化的紋理處理單元,可配置的快取大小和改進的壓縮算法,與前幾代相比,在功耗、性能、面積和頻寬(PPAB)效率方面展現重大提升。

B 系列 GPU 實現諸多最佳化和改進,例如基於多核和小晶片,其靈活可擴展性特點可實現從嵌入式到桌機級別的解決方案,還透過進一步的微架構調整和物理設計最佳化提高了計算效率。因此,B 系列仍然是市場上用於光柵化的頂級 GPU。

CXT 則代表了 Imagination 的頂級設計,通過進一步的微架構調整,它提供了比上一代產品高出 50% 的幾何圖形和計算能力,同時引入了最新的圖形渲染,即光線追蹤。

CXT 的運算和紋理處理單元從上一代的 4 個增加到 6 個,以及一個額外的幾何柵格單元。Photo Credit:Imagination

由於光線追蹤仍然是一項計算成本非常高的技術,IMG CXT 採用混合方法進行 3D 渲染。自 2018 年底以來,這已在全球桌上型個人電腦市場上推出,不過 Imagination 早在 2016 年就基於其 "Wizard" 架構的 "Plato" 開發板上進行了首次運行展示。它於 2014 年第一次亮相,是第一個引入混合渲染概念的設計——將光線追蹤功能與傳統光柵化相結合。

光線追蹤等級系統。Photo Credit:Imagination

CXT 是這種設計的演變,並具有 Photon 光線追蹤架構,該架構提供了許多專用於加速光線追蹤的矽模塊,比桌機級架構可能有的方式更節能。由於並非所有光線追蹤解決方案都是平等的,Imagination 建立了光線追蹤等級系統。這確定了六個級別的光線追蹤,從純軟體的 0 級到 5 級,並且由於 Photon 架構的光線加速集群,IMG CXT 位於 4 級。 如果想深入了解 Photon 架構的更多資訊, Imagination 另有一份詳細的白皮書,解釋了混合渲染的原理以及如何實現光線追蹤加速。

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總而言之,RAC 提供的硬體加速了光線通過邊界框層次結構,這是有效加速光線追蹤所必需的。獨一無二的是,它具有數據一致性叢集單元,該單元可識別反射光線中的一致性,並將它們打包在一起以充分利用記憶體頻寬。但這種一致性叢集單元就是我們在行動功率預算中,以足夠有效的性能提供光線追蹤的方法。多虧了這一點,當談到可用的行動效能時,IMG CXT 是市面上唯一的遊戲玩家。

與 Imagination 之前的所有 IP 核心一樣,CXT 是汽車領域的絕佳解決方案,並且由於引入了光線追蹤,情況更是如此。光線追蹤將在渲染複雜的曲面(如汽車車身)時實現更高的效率,使其成為逼真光線追蹤汽車渲染的理想選擇,可在儀表板寬螢幕上完美呈現車輛。

支援 Vulkan®

CXT 完全支援用於光線追蹤的 Vulkan API,處理光線查詢和光線追蹤的光線管線實現,因此無論應用程式是針對行動裝置還是桌機,CXT 都能夠支援。這將有助於為應用程式提供更逼真的陰影和反射,以及光線追蹤全局照明,以實現真正身臨其境的真實視覺效果。

多年來,Imagination 一直期望遊戲機和桌上型個人電腦上的圖形品質水準最終會應用到行動裝置上,現在光線追蹤這項技術已經進入市場開放授權,更令人迫不及待地想看到這項技術落實到每個人的手中。

在下一篇文章中,將介紹光線追蹤可以帶來更多深度的一些視覺增強功能,以及它將為開發人員帶來的時間節省效率。立即閱讀

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