今年，Imagination技術(shù)團(tuán)隊(duì)參加了在舊金山舉辦的游戲開發(fā)者大會(huì)（GDC），期間展示了與亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）合作創(chuàng)建的光線追蹤demo。

在本文中，我們將重點(diǎn)介紹開創(chuàng)性的移動(dòng)光線追蹤的實(shí)現(xiàn)，這是與亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）合作完成。亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）是開源實(shí)時(shí)3D引擎（O3DE）的主要?jiǎng)?chuàng)建者，該引擎可支持使用光線追蹤實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算全局照明。

光線追蹤是一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)，允許開發(fā)人員通過計(jì)算光線在3D 引擎渲染器內(nèi)的反彈情況來增強(qiáng)游戲動(dòng)畫，或任何實(shí)時(shí)計(jì)算生成的圖像。挑戰(zhàn)在于它是計(jì)算密集型的，這就是為什么 Imagination 的IMG CXTGPU IP中的 PowerVR Photon 架構(gòu)在幫助實(shí)現(xiàn)使此類實(shí)時(shí)計(jì)算所需的功率和帶寬效率方面如此關(guān)鍵。IMG CXT 代表了五級(jí)光線追蹤級(jí)別系統(tǒng)的第一個(gè)4 級(jí)解決方案。

光線追蹤模擬了光線在現(xiàn)實(shí)世界中的工作方式，光子從光源發(fā)出并在場(chǎng)景中反彈，直到到達(dá)觀察者的眼睛。光線追蹤可以在3D 渲染中以多種方式使用，以生成燈光和陰影，使 3D 場(chǎng)景看起來更逼真。雖然游戲中的光線追蹤通常用于創(chuàng)建逼真的反射，但如果它用于全局照明 (GI)，它可以真正模擬3D 場(chǎng)景在現(xiàn)實(shí)世界中的表現(xiàn)。

基于另一種（基于探針的）計(jì)算和使用場(chǎng)景內(nèi)的二次光反彈方法，全局照明告訴渲染器場(chǎng)景環(huán)境的哪些部分更暗、更亮，以及燈光如何在附近對(duì)象之間擴(kuò)散（強(qiáng)度和顏色）。為了更好地了解反射和GI 的視覺影響，請(qǐng)查看我們?yōu)閱?dòng) IMG CXT GPU 而創(chuàng)建的光線追蹤演示，它們帶來的差異非常明顯。它演示了GI 如何比僅使用反射更有效地創(chuàng)建真實(shí)感。

我們于 2021 年 7 月開始著手 O3DE演示，在 O3DECon大會(huì)（開源3D基金會(huì)的官方大會(huì)）展示結(jié)束后，我們與開發(fā)人員取得了聯(lián)系。O3DE 是 AmazonLumberyard 的演進(jìn)，捐贈(zèng)給 了Linux 基金會(huì)，并由合作伙伴委員會(huì)和公眾組成的委員會(huì)開發(fā)和維護(hù)。我們花了第一個(gè)月的時(shí)間從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度評(píng)估引擎的性能，找出它可以為我們的演示團(tuán)隊(duì)提供哪些可能性。

我們發(fā)現(xiàn)該引擎可以使用光線追蹤來實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算GI，因此我們決定將其用作即將到來的演示的主要功能。從那里開始，與 AWS 開發(fā)人員的展開了緊密合作，我們互相幫助；我們測(cè)試了引擎，并向開發(fā)人員提供了持續(xù)的反饋，基于這些反饋，他們實(shí)現(xiàn)了一些缺失的功能。

結(jié)果是我們稱之為“Buon(GI)orno”的圖形演示。

GI 如何對(duì)實(shí)時(shí)變化做出反應(yīng)的演示

由于引擎處于早期階段，該項(xiàng)目確實(shí)給我們的藝術(shù)家和圖形工程師帶來了一些挑戰(zhàn)。然而，通過時(shí)間和耐心（以及遠(yuǎn)見），我們?cè)O(shè)法同步，然后將我們的努力集中到現(xiàn)在非常易于使用的AAA 引擎中。

事不宜遲，這里是“BuonGIorno”圖形演示。這是一個(gè)意大利式小村莊的風(fēng)格化表示，并展示了使用光線追蹤后全局照明如何實(shí)時(shí)工作。

我們將首先簡(jiǎn)要介紹負(fù)責(zé)開發(fā)O3DE 的團(tuán)隊(duì)。他們是藝術(shù)家和工程師的集合，他們的角色是通過圖形演示展示創(chuàng)新技術(shù)和功能。他們從使用新軟件中受益，因?yàn)檫@有助于他們?cè)鰪?qiáng)作品的視覺效果，而公司則從性能數(shù)據(jù)收集中受益，這些數(shù)據(jù)代表了在發(fā)售設(shè)備中實(shí)施時(shí)，它們將如何在硬件上運(yùn)行。

如果您對(duì) O3DE 感興趣，那么入門很簡(jiǎn)單。您可以從O3DE 的網(wǎng)站下載引擎，在穩(wěn)定版本或每日構(gòu)建版本（其中包含最新更新）之間進(jìn)行選擇。與任何新事物一樣，第一步可能令人生畏，但不要擔(dān)心，堅(jiān)持下去，您會(huì)在短時(shí)間內(nèi)就適應(yīng)它。

開發(fā)人員正在努力根據(jù)社區(qū)反饋（尤其是我們的反饋：作為引擎的早期采用者，我們與主要的O3DE 合作伙伴之一 AWS 密切合作）發(fā)布修改和更新，并提供有關(guān)如何使用這些功能的文檔。那么，經(jīng)過測(cè)試，O3DE 帶來了什么？嗯，O3DE 具有其他游戲引擎的所有典型特征，例如多線程渲染器、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)畫系統(tǒng)、實(shí)時(shí)物理引擎等等。

正如我們上面提到的，O3DE的突出之處在于，與其他游戲引擎不同，它可以使用光線追蹤實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地重新計(jì)算 GI，使其成為展示我們IMG CXT的硬件光線追蹤功能的完美合作伙伴。

除了 GI，我現(xiàn)在將介紹其他幾個(gè)主題，以展示熟悉引擎是多么容易，并根據(jù)我們?cè)谥谱鰾uonGIorno 演示過程中學(xué)到的知識(shí)，為您提供一些提示。

對(duì)于開發(fā)人員來說，從項(xiàng)目的第一天開始就有清晰的想法是多么重要，我怎么強(qiáng)調(diào)都不過分。制作演示或視頻游戲是一個(gè)艱巨的過程，因此您必須從一開始就擁有具體的愿景才能獲得好的結(jié)果。這意味著了解項(xiàng)目的目的。例如，我們演示的主要目的是展示如何通過使用光線追蹤GI，從物體擴(kuò)散的鮮艷色彩可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地影響周圍環(huán)境照明和附近的實(shí)體。這就是我們?nèi)绾蜗氤鰟?chuàng)建一個(gè)意大利風(fēng)格的小村莊并創(chuàng)建有彩色房屋的想法。

通過光線追蹤 GI 影響二次光反彈的材質(zhì)開關(guān)

我們首先收集參考資料，并制作由白框組成的場(chǎng)景（或布局）的初稿，然后我們迭代相同的想法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的動(dòng)畫和基本的技術(shù)功能。通過這種方式，您可以立即了解您的概念是否有效，以及它的可行性。完成并獲得批準(zhǔn)后，我們開始制作構(gòu)成場(chǎng)景所需的資源。

• 密切關(guān)注多邊形數(shù)量。
• 注意模型的拓?fù)洹?/span>
• 根據(jù)您的 UV 接縫指定平滑組。
• 調(diào)節(jié) UV 島的分布和間距，以避免顏色溢出。

達(dá)到這種優(yōu)化水平意味著您將能夠制作干凈的高多邊形到低多邊形“烘焙”（這意味著通過某些貼圖通道將細(xì)節(jié)從高多邊形造型投影到同一模型的低多邊形版本，例如凹凸、法線或高度）。這對(duì)于認(rèn)為資源已準(zhǔn)備好接收動(dòng)畫和紋理至關(guān)重要。

說到這里，讓我們進(jìn)入資源制作流程的下一部分，即創(chuàng)建紋理貼圖和材質(zhì)。

目前，基于物理渲染(PBR) 的 O3DE 工作流程要求您為每個(gè)材質(zhì)通道設(shè)置獨(dú)立的紋理貼圖。然而，在未來的更新中，開發(fā)人員正在努力提供使用稱為“紋理打包”的技術(shù)的可能性。除此之外，要導(dǎo)出的紋理貼圖的數(shù)量和類型取決于您對(duì)著色器的要求。事實(shí)上，并不是每個(gè)著色器都針對(duì)相同的用途進(jìn)行了優(yōu)化或需要相同類型的紋理。

例如，在創(chuàng)建新的PBR 材質(zhì)時(shí)，O3DE 允許您在不同的著色器之間進(jìn)行選擇，每個(gè)著色器都支持不同的功能和紋理貼圖。這樣您就可以決定哪一個(gè)更適合您的需求。我希望您注意到，在O3DE 中這些不同版本的 PBR 材質(zhì)之間，有一點(diǎn)是它們都支持 “輻照度”。

O3DE 中不同 PBR 材質(zhì)預(yù)設(shè)中的輻照度

如果您可以在所有三個(gè)PBR實(shí)現(xiàn)技術(shù)中找到它，這一定很重要，對(duì)吧？

正確的！這是因?yàn)镺3DE 中的輻照度是一個(gè)通道，當(dāng)使用帶有“乘”值的 GI 來管理顏色擴(kuò)散的強(qiáng)度時(shí)，它決定了從該特定材料擴(kuò)散出什么顏色。在實(shí)施 GI 時(shí)，您需要注意這一點(diǎn)。

讓我們進(jìn)入下一部分，這將是關(guān)于O3DE 中的資源和功能實(shí)現(xiàn)的。

如何使用資源填充關(guān)卡是開始可視化演示或視頻游戲的第一件事。您只需從場(chǎng)景內(nèi)的資源瀏覽器中拖動(dòng)FBX 或 GLTF 文件（3D 文件的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)文件格式），就會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建具有網(wǎng)格組件的“實(shí)體”。從那里，您可以根據(jù)每個(gè)資源在場(chǎng)景中的用途開始添加“組件”。例如，讓您的關(guān)卡感覺生動(dòng)是在演示或視頻游戲中實(shí)現(xiàn)的最重要的事情之一，因此您需要知道如何在某個(gè)點(diǎn)為某些對(duì)象或角色實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫。

O3DE 有兩種不同的動(dòng)畫方法，一種最適合蒙皮（變形）對(duì)象，另一種最適合非蒙皮對(duì)象。第一種方法涉及將Actor 組件與 Simple Motion 組件或在 O3DE“動(dòng)畫編輯器”中創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)一起使用。如果您不需要為實(shí)體蒙皮，您可以使用“軌跡視圖”編輯器并創(chuàng)建序列，在其中將動(dòng)畫“關(guān)鍵幀”直接放入編輯器。選擇取決于您的需要，但請(qǐng)注意，O3DE中仍然不支持蒙皮對(duì)象主動(dòng)影響 GI。對(duì)于開發(fā)人員來說，此功能仍在開發(fā)中，他們希望盡快實(shí)現(xiàn)它。

預(yù)制件是一種特殊類型的組件，它允許將配置完全的游戲?qū)ο螅∣3DE中的“實(shí)體”）保存在項(xiàng)目中以供重復(fù)使用。然后，可以在場(chǎng)景甚至其他項(xiàng)目之間共享這些資源，而無需再次配置。這對(duì)于將被多次使用的對(duì)象非常有用；因此，它們至關(guān)重要，尤其是在關(guān)卡創(chuàng)建的模塊化或程序化方法上。O3DE 以預(yù)制件為中心，甚至您的關(guān)卡也會(huì)自動(dòng)設(shè)置為預(yù)制件。

使用 Prefab 實(shí)例化游戲?qū)ο螅▽?shí)體）的強(qiáng)大功能

預(yù)制件在 O3DE 中很容易創(chuàng)建：您可以通過右鍵單擊實(shí)體來完成- 然后您必須決定將其存儲(chǔ)在項(xiàng)目中的哪個(gè)位置。然后，您只需從“資源瀏覽器”訪問它們，復(fù)制并通過雙擊它們從視口或大綱中進(jìn)行編輯。您現(xiàn)在只需單擊幾下即可將您的更改從一個(gè)預(yù)制件反映到所有實(shí)例化副本！

我們現(xiàn)在已經(jīng)知道如何在編輯器中實(shí)現(xiàn)資源了——但是如果您看不到演示或視頻游戲，那它又是什么？因此，下一個(gè)主題是照明。我不會(huì)專注于基本的照明特性，但我想讓你知道如何應(yīng)用GI。

O3DE 中的 GI功能強(qiáng)大。首先，如果需要，它可以一次使用多個(gè)光源，包括定向燈、點(diǎn)光源、聚光燈和區(qū)域燈。接下來，它可以計(jì)算二次光反彈，既可以為您使用硬件光線追蹤核心來進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，也可以作為探針與光源的單一交互進(jìn)行烘焙。第三，也是最重要的，GI也很容易設(shè)置。

• 您需要執(zhí)行以下操作：

  1. 首先，轉(zhuǎn)到您的“LevelName.prefab”并添加一個(gè)名為“DiffuseGlobal Illumination”的組件。
  2. 選擇您希望在場(chǎng)景中具有的GI 質(zhì)量級(jí)別。
  3. 創(chuàng)建一個(gè)新實(shí)體，并向其中添加一個(gè)“Diffuse Probe Grid”組件（O3DE 將要求您創(chuàng)建一個(gè)“長(zhǎng)方體組件”以確定將包含和分布探針的體積邊界）。
  4. 通過設(shè)置 GI 體積的尺寸并將其移動(dòng)到場(chǎng)景內(nèi)需要的位置來定義GI 體積的邊界（它必須完全包含您希望受 GI 影響的實(shí)體）。
  5. 開始調(diào)整 GI 參數(shù)，例如Probe Spacing、“Number of Rays per probe”、“Ambient Multiplier”（應(yīng)保持為 1）和偏差。您可以通過激活探針的可視化，來幫助自己在這些參數(shù)之間達(dá)到正確的平衡（“show active/inactive probes”，這是 O3DE 中最近添加的功能）。
  6. 確保 GI 實(shí)體處于活動(dòng)狀態(tài)，模式設(shè)置為“實(shí)時(shí)（光線追蹤）”，并開始在體積影響內(nèi)播放實(shí)體、燈光、材質(zhì)和動(dòng)畫。您會(huì)注意到GI 會(huì)實(shí)時(shí)適應(yīng)您的更改，從而提供更好的整體環(huán)境照明。這就是光線追蹤 GI 的強(qiáng)大之處。

  7. 任何這些步驟和設(shè)置都可以隨時(shí)查看和修改。

最后，我想談?wù)勅绾瓮瓿珊蛯?dǎo)出您的項(xiàng)目。

完成項(xiàng)目時(shí)需要注意的是后期處理。設(shè)置后處理FXS 很簡(jiǎn)單：它需要將“PostFX 層”組件添加到實(shí)體，然后您可以開始將所有其他單個(gè)效果組件添加到同一實(shí)體。目前， FX 功能有很多后處理特性可選，例如屏幕空間環(huán)境光遮蔽、自動(dòng)或手動(dòng)曝光控制、HDR顏色分級(jí)、色差、光暈等。

其他功能，例如光線追蹤屏幕空間反射，是O3DE 開發(fā)人員正在開發(fā)的東西，希望很快就會(huì)實(shí)現(xiàn)。

一些可用的后處理效果在 O3DE 中作為實(shí)體內(nèi)部的“組件”實(shí)現(xiàn)。

O3DE 編輯器可以隨時(shí)播放和測(cè)試您的關(guān)卡，跟蹤頂點(diǎn)計(jì)數(shù)、圖元計(jì)數(shù)、繪制項(xiàng)目，并監(jiān)控FPS速率。除了播放按鈕外，還有一個(gè)物理模擬按鈕，供想要嘗試該功能的人使用。

結(jié)論

您現(xiàn)在了解了我們?cè)趧?chuàng)建BuonGIorno 演示時(shí)了解的有關(guān) O3DE 的所有內(nèi)容。從本質(zhì)上講，我們想要展示的是 ，O3DE 是多么容易實(shí)現(xiàn)既熟悉又驚人的新功能，以增強(qiáng)您在演示和視頻游戲中的視覺效果。通過關(guān)注全局照明而不僅僅是反射，我們了解了光線追蹤如何幫助當(dāng)前和下一代開發(fā)人員制作更好、更逼真的環(huán)境照明。

雖然目前還沒有在O3DE 中同時(shí)實(shí)時(shí)運(yùn)行光線追蹤反射和光線追蹤 GI 的選項(xiàng)，正如我多次提到的，開發(fā)人員正在開發(fā)它！感謝他們的努力，并且感謝 Imagination移動(dòng)和桌面PowerVR Photon 架構(gòu)，這些功能將很快成為視頻游戲和實(shí)時(shí) CGI 世界的標(biāo)準(zhǔn)，讓每個(gè)人都能享受更好的視覺效果。

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