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【微分享】索尼黑科技——光线追踪技术 为游戏创作者提供不断演进的视觉表达

更新时间2021-03-18 点击数590

“建立在坚实技术基础上的创意娱乐公司”索尼,始终以“人”为本,在前沿技术领域不断探索进取。后疫情时代,索尼黑科技正式确立了3R战略(真实(Reality)、实时(Real-time)和远程(Remote),致力于为内容创作赋能,共同开创前所未有的娱乐表达方式。 “索尼黑科技”专栏将定期为您介绍最具代表性的索尼技术创新成果,探索如何“用创意和科技的力量感动世界”。本期将为您带来的是——光线追踪技术(Ray Tracing)。


 

 

能够优化创作过程的技术

       索尼互动娱乐公司(SIE)的愿景是提供 " The Best Place to Play(最佳游戏平台) "。公司由全球14个工作室组成,SIE与游戏创作者合作,致力为广大消费者提供令人享受且极富吸引力的内容。用于增强这些内容的技术之一便是光线追踪。2020年11月发布的PlayStation®5将配备AMD的定制GPU,支持光线追踪。我们与SIE的渡边真司进行了交流,从而了解到为何光线追踪可以优化创作过程。

受访人资料:


 

 

化繁为简,拓展各种可能性

Q:什么是光线追踪?
 

渡边:许多人可能会将 "光线追踪 "一词与电脑绘图使用的渲染技术联系起来。然而,根据文本内容的不同,光线追踪有多种含义,可以从广义和狭义上进行讨论。从广义上讲,光线追踪是一种简单而又通用的技术,它可以确定射线和物体之间的交点,而这正是我们正在研究和开发的;从狭义上讲,它是指通过模拟光从光源到我们眼睛的过程来进行电脑绘图渲染。这种光线追踪指的是各种渲染方法,包括追踪光线从眼睛反射到光源的路径的方法,以及近年来在电影制作中积极使用的基于概率和统计的方法。
 


 


 

Q:那么,游戏中所指的光线追踪是狭义的光线追踪吗?

渡边:没错,是这样。在讨论PlayStation®5的时候,我们一般说的是狭义的光线追踪。具体来说,最近的CG动画电影中使用的光线追踪叫做 " Monte Carlo Ray Tracing(蒙特卡罗光线追踪)"。电影一般都是以每秒24帧的方式显示,但为了做出一帧画面,你需要大量的计算机并行连接来处理所有的数据。在我看来,这在电子游戏制作领域不现实,至少在未来几年内是这样。一种不同于上述的叫做 "光栅化 "的技术被用于电子游戏图形制作。目前,我们正在部分结合蒙特卡罗射线追踪技术来改进电子游戏的光栅化。

 

Q:近年来,我们越来越多地听到 "光线追踪 "这个词。你认为原因何在?

渡边:这是因为光线追踪技术有望解决视频游戏中渲染的相关问题。渲染过程的问题在于程序的复杂性。从用户的角度来看,如今的CG动画看似相当逼真,但背后却有非常复杂的程序在运行。而且即使看起来很真实,也不能做到100%还原现实。在目前纯光栅化的框架下,我们必须把复杂的程序做得更加复杂,才能接近100%的图形精度。例如,绘制一个角色的影子或他们在水中的倒影需要一个单独的程序。由于这些程序一起运行时产生的兼容性问题,游戏创作者还需要反复进行微调。目前,渲染过程对创作者来说是非常繁琐的,如果我们能用光线追踪来代替它,并将其简化,创作者就可以花更多的时间专注于游戏设计中更有创意的方面。换句话说,光线追踪是一项有潜力优化创作过程的技术。

 

通过软件实现硬件性能的最大化

Q:要取代传统的渲染处理,需要哪些条件?

渡边:首先需要加快光线追踪的速度。计算简单的射线与物体的交点可以单纯依靠算力,但随着物体数量的增加,这种方法越来越耗时。加快光线追踪的一种方法是使用空间数据结构,将一个区域划分为多个单元。数据结构可以减少计算时间,因为它只对射线经过的区域内的物体进行计算。一个典型的数据结构是边界体积层次结构(BVH)。在BVH中,对象被细分为一个不相干的集合层次结构,允许进行高效的计算,因此计算速度更快。BVH也有不同的类型,而构建一个BVH的方式会对性能产生巨大的影响。如果你使用的是低质量的数据结构,那么使用强大的硬件加速光线追踪是没有意义的。换句话说,在游戏中使用光线追踪不仅要看硬件性能,还要看软件效率。为了发挥硬件性能,我们正在督促创建加速光线追踪的算法和数据结构,并开发程序库提供给创作者。


一个BVH的不相干集的层次结构的例子


BVH集内交叉点数量可视化(白色部分越大,交叉点数量越多)

Q:在您的研发工作中,什么对您来说是重要的?
 

渡边:在日常开发中,我们专注于量化指标来提升性能。我们在各种条件下对GPU等硬件的性能进行测量,了解数据。我们在开发过程中,能够量化我们的优势和劣势,这让我们在开发过程中感受到了进步。我们也很重视与游戏创作者的沟通。作为一个平台提供者,我们希望游戏创作者能够最大限度地发挥他们的表达能力。当创作者将我们的库整合到他们的游戏中时,他们可能会发现我们没有预料到的错误或问题。因此,我们努力快速响应工作室的反馈,并不断改进我们的库。

 

与游戏创作者合作,带来更多乐趣和惊喜

Q:最后,你对未来有什么打算?
 

渡边:光线追踪的先天优势在于它能让我们准确了解周围的世界。在图像之外,还有其他应用,比如声学模拟。我们可能会通过对声波的回响或从背后环绕发现全新的声音。我们期望它也可以应用于NPC的寻路。光线追踪仍然拥有无数种超出我们的想象的可能性。如果只从图像的角度来看,你可能会认为它已经很成熟了,没有任何可以进步的空间。但是,我认为还有很多问题需要解决。特别是作为一个平台开发者,我认识到在我们的硬件上做研发是多么重要。SIE的目标是提供 "最好的游戏平台",提供新的体验和多样化的交流。通过这样的方式,我们可以创造一个新的领域,让用户和开发者可以相互联系。而通过我们提供的平台,我们将创造一个让创作者能够释放他们的创意和创新的环境,并将其传递给世界。为了给用户提供更多的乐趣和惊喜,我们将继续接受新的挑战,同时倾听创作者的反馈。

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