本文我將對PowerVR光線追蹤團隊創(chuàng)建的API進行簡要介紹。該API允許開發(fā)人員訪問Wizard 架構的PowerVR光線追蹤硬件。我將簡單概述硬件層發(fā)生的物理變化及其相比傳統(tǒng)的GPU所變化的具體內容。隨后，我將著重討論新創(chuàng)建的供開發(fā)人員訪問硬件的OpenGL ES 3.1擴展程序。

在2016年度游戲開發(fā)者大會（GDC）上，Imagination的 idc16開發(fā)人員會議對API進行了討論，點擊此處可獲取API討論資訊。

以下內容的前提是默認各位讀者已經了解光線追蹤的概念。若不了解，可以先查閱光線追蹤的相關信息。本文不會深入探討每個功能，詳細的信息將在后續(xù)的文章中進行討論。

前一段時間，我們介紹了啟動光線追蹤功能的四核集群PowerVR GR6500 GPU。最近，我們又展示了一些目前在GPU上運行的光線追蹤應用程序。

下圖是我們添加的用于加速光線追蹤的硬件功能：

光線數(shù)據(jù)管理
光線數(shù)據(jù)管理(RDM)模塊將交叉點歸至統(tǒng)一著色集群(USC)中，再由集群進行光線著色

場景層級生成器
場景層級生成器(SHG)模塊即使用標準頂點著色器生成的世界坐標頂點，在光線交點處理器之后生成加速結構。

相干引擎
該模塊是光線追蹤裝置(RTU)的一部分，并以相同的方式緩沖了一組遍歷場景層級的光線且遵循類似的執(zhí)行路徑。這樣，在內存中獲取光線數(shù)據(jù)時便可以避免緩存缺失，并由此減少帶寬和功耗。更多信息將在后續(xù)文章中詳細介紹。同時，您還可以關注2014GDC論壇獲取更多相干引擎的資訊。

光線交叉處理器
該模塊是RTU的一部分，可以測試SGH生成的位于主內存的三角形光線及場景層級光線。

幀累加緩存
該硬件模塊從USC中獲取累積指令，并使用編寫的緩存來加速某些在光線追蹤著色器中可以使用的圖像原子操作。這意味著我們可以發(fā)出只編寫指令，這些指令將異步列隊并執(zhí)行。

PowerVR GR6500 GPU在PCIe卡上進行集成，如下圖所示，使用RTU時其峰值性能為每秒3億光線。SHG的目標是生成加速結構，使頂點輸出從每秒1億動態(tài)三角形開始加速。

The API

光線跟蹤硬件對典型的GPU設計進行了延伸，使之不僅僅只是單一的硬件。我們決定通過添加光線追蹤功能來擴展OpenGL ES 3.1，以充分利用這個開發(fā)人員較為熟知的OpenGL ES API。我們選擇使用現(xiàn)代規(guī)范，如直接狀態(tài)訪問、無綁定等，因為預計這將是未來的API模式。Vulkan API的潛力不容忽視，但Vulkan仍處于待開發(fā)中，本文只介紹OpenGL ES擴展。

● 頂點處理

光線追蹤器輸入與光柵輸入是不同的。光線追蹤器處理的是世界坐標中的對象，這是因為光線追蹤器需要訪問整個場景。例如，其場景中的對象反映的攝像機獲取的某個對象，而光柵中這卻很難處理。

正因為如此，PowerVR硬件光線追蹤API處理頂點輸出時是在世界坐標而非光柵的剪輯空間中。這意味著我們將要以不同的幀率運行各層的頂點至光柵中——在光柵中，攝像機通常從幀到幀移動。即便不是，大多數(shù)游戲平臺也將重新渲染場景，因為傳輸過程中某些信息發(fā)生了改變。

這不同于光線追蹤器。我們從攝像機運動中解耦，在應用程序啟動時運行頂點著色器，隨后，如果場景中沒有任何對象在世界坐標中發(fā)生移動，則無需再次運行頂點著色器。當然，當攝像機移動時，仍然需要在每一幀進行光線遍歷，但為場景靜態(tài)部分生成的場景層級則無需如此。

預期OpenGL ES的變量及其他特性運行如下：

layout(std140, binding=0) uniform UboPerObjectIn {
highp mat4 worldFromModel;
highp mat4 worldFromModelIT;
} UboPerObject[2];

out gl_PerVertex {
vec4 gl_Position;
float gl_PointSize;
};
out PerVertexData {
vec3 vertexNormal;
};
void main() {
gl_Position = UboPerObject[gl_BuildIDIMG].worldFromModel * vec4(inVertex, 1.0); // Output in world space
vertexNormal = (UboPerObject[gl_BuildIDIMG].worldFromModelIT * vec4(inNormal, 0.0)).xyz

(gl_BuildIDIMG explained below)

然而，由于世界坐標中的頂點處理與光柵頂點處理不同，因此我們需要不同的API來進行頂點處理……

● 場景構造