【微分享】索尼黑科技——光線追蹤技術(shù) 為游戲創(chuàng)作者提供不斷演進的視覺表達

“建立在堅實技術(shù)基礎(chǔ)上的創(chuàng)意娛樂公司”索尼，始終以“人”為本，在前沿技術(shù)領(lǐng)域不斷探索進取。后疫情時代，索尼黑科技正式確立了3R戰(zhàn)略（真實（Reality）、實時（Real-time）和遠程（Remote），致力于為內(nèi)容創(chuàng)作賦能，共同開創(chuàng)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較具代表性的索尼技術(shù)創(chuàng)新成果，探索如何“用創(chuàng)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(shù)（Ray Tracing）。

能夠優(yōu)化創(chuàng)作過程的技術(shù)

       索尼互動娛樂公司（SIE）的愿景是提供 " The Best Place to Play（較佳游戲平臺） "。公司由全球14個工作室組成，SIE與游戲創(chuàng)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(nèi)容。用于增強這些內(nèi)容的技術(shù)之一便是光線追蹤。2020年11月發(fā)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(yōu)化創(chuàng)作過程。

受訪人資料：

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(shù)聯(lián)系起來。然而，根據(jù)文本內(nèi)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(shù)，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(fā)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(tǒng)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，較近的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(shù)據(jù)。在我看來，這在電子游戲制作領(lǐng)域不現(xiàn)實，至少在未來幾年內(nèi)是這樣。一種不同于上述的叫做 "光柵化 "的技術(shù)被用于電子游戲圖形制作。目前，我們正在部分結(jié)合蒙特卡羅射線追蹤技術(shù)來改進電子游戲的光柵化。

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(shù)有望解決視頻游戲中渲染的相關(guān)問題。渲染過程的問題在于程序的復(fù)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(fù)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(xiàn)實。在目前純光柵化的框架下，我們必須把復(fù)雜的程序做得更加復(fù)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(chǎn)生的兼容性問題，游戲創(chuàng)作者還需要反復(fù)進行微調(diào)。目前，渲染過程對創(chuàng)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(chuàng)作者就可以花更多的時間專注于游戲設(shè)計中更有創(chuàng)意的方面。換句話說，光線追蹤是一項有潛力優(yōu)化創(chuàng)作過程的技術(shù)。

通過軟件實現(xiàn)硬件性能的較大化

Q：要取代傳統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將一個區(qū)域劃分為多個單元。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以減少計算時間，因為它只對射線經(jīng)過的區(qū)域內(nèi)的物體進行計算。一個典型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是邊界體積層次結(jié)構(gòu)（BVH）。在BVH中，對象被細分為一個不相干的集合層次結(jié)構(gòu)，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(gòu)建一個BVH的方式會對性能產(chǎn)生巨大的影響。如果你使用的是低質(zhì)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(fā)揮硬件性能，我們正在督促創(chuàng)建加速光線追蹤的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并開發(fā)程序庫提供給創(chuàng)作者。

一個BVH的不相干集的層次結(jié)構(gòu)的例子

BVH集內(nèi)交叉點數(shù)量可視化（白色部分越大，交叉點數(shù)量越多）

Q：在您的研發(fā)工作中，什么對您來說是重要的？
 

渡邊：在日常開發(fā)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(shù)據(jù)。我們在開發(fā)過程中，能夠量化我們的優(yōu)勢和劣勢，這讓我們在開發(fā)過程中感受到了進步。我們也很重視與游戲創(chuàng)作者的溝通。作為一個平臺提供者，我們希望游戲創(chuàng)作者能夠較大限度地發(fā)揮他們的表達能力。當創(chuàng)作者將我們的庫整合到他們的游戲中時，他們可能會發(fā)現(xiàn)我們沒有預(yù)料到的錯誤或問題。因此，我們努力快速響應(yīng)工作室的反饋，并不斷改進我們的庫。

與游戲創(chuàng)作者合作，帶來更多樂趣和驚喜

Q：較后，你對未來有什么打算？
 

渡邊：光線追蹤的先天優(yōu)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(yīng)用，比如聲學(xué)模擬。我們可能會通過對聲波的回響或從背后環(huán)繞發(fā)現(xiàn)全新的聲音。我們期望它也可以應(yīng)用于NPC的尋路。光線追蹤仍然擁有無數(shù)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(jīng)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(fā)者，我認識到在我們的硬件上做研發(fā)是多么重要。SIE的目標是提供 "較好的游戲平臺"，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(chuàng)造一個新的領(lǐng)域，讓用戶和開發(fā)者可以相互聯(lián)系。而通過我們提供的平臺，我們將創(chuàng)造一個讓創(chuàng)作者能夠釋放他們的創(chuàng)意和創(chuàng)新的環(huán)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(xù)接受新的挑戰(zhàn)，同時傾聽創(chuàng)作者的反饋。