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    2021.02.25

    【微分享】索尼黑科技——光線追蹤技術

    為游戲創作者提供不斷演進的視覺表達

    ? ? ? ?“建立在堅實技術基礎上的創意娛樂公司”索尼,始終以“人”為本,在前沿技術領域不斷探索進取。后疫情時代,索尼黑科技正式確立了3R戰略(真實(Reality)、實時(Real-time)和遠程(Remote),致力于為內容創作賦能,共同開創前所未有的娛樂表達方式。 “索尼黑科技”專欄將定期為您介紹最具代表性的索尼技術創新成果,探索如何“用創意和科技的力量感動世界”。本期將為您帶來的是——光線追蹤技術(Ray Tracing)。


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    能夠優化創作過程的技術

    ? ? ? ?索尼互動娛樂公司(SIE)的愿景是提供 " The Best Place to Play(最佳游戲平臺) "。公司由全球14個工作室組成,SIE與游戲創作者合作,致力為廣大消費者提供令人享受且極富吸引力的內容。用于增強這些內容的技術之一便是光線追蹤。2020年11月發布的PlayStation?5將配備AMD的定制GPU,支持光線追蹤。我們與SIE的渡邊真司進行了交流,從而了解到為何光線追蹤可以優化創作過程。

    受訪人資料:


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    化繁為簡,拓展各種可能性

    Q:什么是光線追蹤?

    渡邊:許多人可能會將 "光線追蹤 "一詞與電腦繪圖使用的渲染技術聯系起來。然而,根據文本內容的不同,光線追蹤有多種含義,可以從廣義和狹義上進行討論。從廣義上講,光線追蹤是一種簡單而又通用的技術,它可以確定射線和物體之間的交點,而這正是我們正在研究和開發的;從狹義上講,它是指通過模擬光從光源到我們眼睛的過程來進行電腦繪圖渲染。這種光線追蹤指的是各種渲染方法,包括追蹤光線從眼睛反射到光源的路徑的方法,以及近年來在電影制作中積極使用的基于概率和統計的方法。



    Q:那么,游戲中所指的光線追蹤是狹義的光線追蹤嗎?

    渡邊:沒錯,是這樣。在討論PlayStation?5的時候,我們一般說的是狹義的光線追蹤。具體來說,最近的CG動畫電影中使用的光線追蹤叫做 " Monte Carlo Ray Tracing(蒙特卡羅光線追蹤)"。電影一般都是以每秒24幀的方式顯示,但為了做出一幀畫面,你需要大量的計算機并行連接來處理所有的數據。在我看來,這在電子游戲制作領域不現實,至少在未來幾年內是這樣。一種不同于上述的叫做 "光柵化 "的技術被用于電子游戲圖形制作。目前,我們正在部分結合蒙特卡羅射線追蹤技術來改進電子游戲的光柵化。

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    Q:近年來,我們越來越多地聽到 "光線追蹤 "這個詞。你認為原因何在?

    渡邊:這是因為光線追蹤技術有望解決視頻游戲中渲染的相關問題。渲染過程的問題在于程序的復雜性。從用戶的角度來看,如今的CG動畫看似相當逼真,但背后卻有非常復雜的程序在運行。而且即使看起來很真實,也不能做到100%還原現實。在目前純光柵化的框架下,我們必須把復雜的程序做得更加復雜,才能接近100%的圖形精度。例如,繪制一個角色的影子或他們在水中的倒影需要一個單獨的程序。由于這些程序一起運行時產生的兼容性問題,游戲創作者還需要反復進行微調。目前,渲染過程對創作者來說是非常繁瑣的,如果我們能用光線追蹤來代替它,并將其簡化,創作者就可以花更多的時間專注于游戲設計中更有創意的方面。換句話說,光線追蹤是一項有潛力優化創作過程的技術。

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    通過軟件實現硬件性能的最大化

    Q:要取代傳統的渲染處理,需要哪些條件?

    渡邊:首先需要加快光線追蹤的速度。計算簡單的射線與物體的交點可以單純依靠算力,但隨著物體數量的增加,這種方法越來越耗時。加快光線追蹤的一種方法是使用空間數據結構,將一個區域劃分為多個單元。數據結構可以減少計算時間,因為它只對射線經過的區域內的物體進行計算。一個典型的數據結構是邊界體積層次結構(BVH)。在BVH中,對象被細分為一個不相干的集合層次結構,允許進行高效的計算,因此計算速度更快。BVH也有不同的類型,而構建一個BVH的方式會對性能產生巨大的影響。如果你使用的是低質量的數據結構,那么使用強大的硬件加速光線追蹤是沒有意義的。換句話說,在游戲中使用光線追蹤不僅要看硬件性能,還要看軟件效率。為了發揮硬件性能,我們正在督促創建加速光線追蹤的算法和數據結構,并開發程序庫提供給創作者。


    一個BVH的不相干集的層次結構的例子


    BVH集內交叉點數量可視化(白色部分越大,交叉點數量越多)

    Q:在您的研發工作中,什么對您來說是重要的?

    渡邊:在日常開發中,我們專注于量化指標來提升性能。我們在各種條件下對GPU等硬件的性能進行測量,了解數據。我們在開發過程中,能夠量化我們的優勢和劣勢,這讓我們在開發過程中感受到了進步。我們也很重視與游戲創作者的溝通。作為一個平臺提供者,我們希望游戲創作者能夠最大限度地發揮他們的表達能力。當創作者將我們的庫整合到他們的游戲中時,他們可能會發現我們沒有預料到的錯誤或問題。因此,我們努力快速響應工作室的反饋,并不斷改進我們的庫。

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    與游戲創作者合作,帶來更多樂趣和驚喜

    Q:最后,你對未來有什么打算?

    渡邊:光線追蹤的先天優勢在于它能讓我們準確了解周圍的世界。在圖像之外,還有其他應用,比如聲學模擬。我們可能會通過對聲波的回響或從背后環繞發現全新的聲音。我們期望它也可以應用于NPC的尋路。光線追蹤仍然擁有無數種超出我們的想象的可能性。如果只從圖像的角度來看,你可能會認為它已經很成熟了,沒有任何可以進步的空間。但是,我認為還有很多問題需要解決。特別是作為一個平臺開發者,我認識到在我們的硬件上做研發是多么重要。SIE的目標是提供 "最好的游戲平臺",提供新的體驗和多樣化的交流。通過這樣的方式,我們可以創造一個新的領域,讓用戶和開發者可以相互聯系。而通過我們提供的平臺,我們將創造一個讓創作者能夠釋放他們的創意和創新的環境,并將其傳遞給世界。為了給用戶提供更多的樂趣和驚喜,我們將繼續接受新的挑戰,同時傾聽創作者的反饋。

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