【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

“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较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（较佳游戏平台） "。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，较近的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较大化

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较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：较后，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 "较好的游戏平台"，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。