? ? ? ?“建立在堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上的創(chuàng)意娛樂(lè)公司”索尼，始終以“人”為本，在前沿技術(shù)領(lǐng)域不斷探索進(jìn)取。后疫情時(shí)代，索尼黑科技正式確立了3R戰(zhàn)略（真實(shí)（Reality）、實(shí)時(shí)（Real-time）和遠(yuǎn)程（Remote），致力于為內(nèi)容創(chuàng)作賦能，共同開(kāi)創(chuàng)前所未有的娛樂(lè)表達(dá)方式。 “索尼黑科技”專(zhuān)欄將定期為您介紹最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(dòng)世界”。本期將為您帶來(lái)的是——光線追蹤技術(shù)（Ray Tracing）。

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能夠優(yōu)化創(chuàng)作過(guò)程的技術(shù)

? ? ? ?索尼互動(dòng)娛樂(lè)公司（SIE）的愿景是提供 " The Best Place to Play（最佳游戲平臺(tái)） "。公司由全球14個(gè)工作室組成，SIE與游戲創(chuàng)作者合作，致力為廣大消費(fèi)者提供令人享受且極富吸引力的內(nèi)容。用于增強(qiáng)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(jìn)行了交流，從而了解到為何光線追蹤可以?xún)?yōu)化創(chuàng)作過(guò)程。

受訪人資料：

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化繁為簡(jiǎn)，拓展各種可能性

Q：什么是光線追蹤？

渡邊：許多人可能會(huì)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(lái)。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(jìn)行討論。從廣義上講，光線追蹤是一種簡(jiǎn)單而又通用的技術(shù)，它可以確定射線和物體之間的交點(diǎn)，而這正是我們正在研究和開(kāi)發(fā)的；從狹義上講，它是指通過(guò)模擬光從光源到我們眼睛的過(guò)程來(lái)進(jìn)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(lái)在電影制作中積極使用的基于概率和統(tǒng)計(jì)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(méi)錯(cuò)，是這樣。在討論P(yáng)layStation?5的時(shí)候，我們一般說(shuō)的是狹義的光線追蹤。具體來(lái)說(shuō)，最近的CG動(dòng)畫(huà)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(huà)面，你需要大量的計(jì)算機(jī)并行連接來(lái)處理所有的數(shù)據(jù)。在我看來(lái)，這在電子游戲制作領(lǐng)域不現(xiàn)實(shí)，至少在未來(lái)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(lái)改進(jìn)電子游戲的光柵化。

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Q：近年來(lái)，我們?cè)絹?lái)越多地聽(tīng)到 "光線追蹤 "這個(gè)詞。你認(rèn)為原因何在？

渡邊：這是因?yàn)楣饩€追蹤技術(shù)有望解決視頻游戲中渲染的相關(guān)問(wèn)題。渲染過(guò)程的問(wèn)題在于程序的復(fù)雜性。從用戶(hù)的角度來(lái)看，如今的CG動(dòng)畫(huà)看似相當(dāng)逼真，但背后卻有非常復(fù)雜的程序在運(yùn)行。而且即使看起來(lái)很真實(shí)，也不能做到100%還原現(xiàn)實(shí)。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(gè)角色的影子或他們?cè)谒械牡褂靶枰粋€(gè)單獨(dú)的程序。由于這些程序一起運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的兼容性問(wèn)題，游戲創(chuàng)作者還需要反復(fù)進(jìn)行微調(diào)。目前，渲染過(guò)程對(duì)創(chuàng)作者來(lái)說(shuō)是非常繁瑣的，如果我們能用光線追蹤來(lái)代替它，并將其簡(jiǎn)化，創(chuàng)作者就可以花更多的時(shí)間專(zhuān)注于游戲設(shè)計(jì)中更有創(chuàng)意的方面。換句話(huà)說(shuō)，光線追蹤是一項(xiàng)有潛力優(yōu)化創(chuàng)作過(guò)程的技術(shù)。

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通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)硬件性能的最大化

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(jì)算簡(jiǎn)單的射線與物體的交點(diǎn)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(lái)越耗時(shí)。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(gè)區(qū)域劃分為多個(gè)單元。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以減少計(jì)算時(shí)間，因?yàn)樗粚?duì)射線經(jīng)過(guò)的區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行計(jì)算。一個(gè)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(duì)象被細(xì)分為一個(gè)不相干的集合層次結(jié)構(gòu)，允許進(jìn)行高效的計(jì)算，因此計(jì)算速度更快。BVH也有不同的類(lèi)型，而構(gòu)建一個(gè)BVH的方式會(huì)對(duì)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(qiáng)大的硬件加速光線追蹤是沒(méi)有意義的。換句話(huà)說(shuō)，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(kāi)發(fā)程序庫(kù)提供給創(chuàng)作者。

Q：在您的研發(fā)工作中，什么對(duì)您來(lái)說(shuō)是重要的？

渡邊：在日常開(kāi)發(fā)中，我們專(zhuān)注于量化指標(biāo)來(lái)提升性能。我們?cè)诟鞣N條件下對(duì)GPU等硬件的性能進(jìn)行測(cè)量，了解數(shù)據(jù)。我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中，能夠量化我們的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，這讓我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中感受到了進(jìn)步。我們也很重視與游戲創(chuàng)作者的溝通。作為一個(gè)平臺(tái)提供者，我們希望游戲創(chuàng)作者能夠最大限度地發(fā)揮他們的表達(dá)能力。當(dāng)創(chuàng)作者將我們的庫(kù)整合到他們的游戲中時(shí)，他們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)我們沒(méi)有預(yù)料到的錯(cuò)誤或問(wèn)題。因此，我們努力快速響應(yīng)工作室的反饋，并不斷改進(jìn)我們的庫(kù)。

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與游戲創(chuàng)作者合作，帶來(lái)更多樂(lè)趣和驚喜

Q：最后，你對(duì)未來(lái)有什么打算？

渡邊：光線追蹤的先天優(yōu)勢(shì)在于它能讓我們準(zhǔn)確了解周?chē)氖澜?。在圖像之外，還有其他應(yīng)用，比如聲學(xué)模擬。我們可能會(huì)通過(guò)對(duì)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(wú)數(shù)種超出我們的想象的可能性。如果只從圖像的角度來(lái)看，你可能會(huì)認(rèn)為它已經(jīng)很成熟了，沒(méi)有任何可以進(jìn)步的空間。但是，我認(rèn)為還有很多問(wèn)題需要解決。特別是作為一個(gè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)者，我認(rèn)識(shí)到在我們的硬件上做研發(fā)是多么重要。SIE的目標(biāo)是提供 "最好的游戲平臺(tái)"，提供新的體驗(yàn)和多樣化的交流。通過(guò)這樣的方式，我們可以創(chuàng)造一個(gè)新的領(lǐng)域，讓用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者可以相互聯(lián)系。而通過(guò)我們提供的平臺(tái)，我們將創(chuàng)造一個(gè)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(hù)提供更多的樂(lè)趣和驚喜，我們將繼續(xù)接受新的挑戰(zhàn)，同時(shí)傾聽(tīng)創(chuàng)作者的反饋。