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FPGA+云計算:逼真絢麗視覺場面,光線追蹤有多強?

2019-08-01 11:25:45 來源: FPGA創新中心
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《復仇者聯盟4:終局之戰》作為零點首映預售票房創造奇跡的電影,剛剛上映口碑就炸了!很多人都評價說,它是漫威電影迄今最精彩最感人的一部。這不只是因為精彩的故事情節,還因為它炫麗逼真的視覺場面。整部電影中,我們可以看到有許許多多的光線追蹤技術,比如一開始鋼鐵俠在穿戰衣時就運用了光線追蹤。

 

光線追蹤可以讓畫面還原真實視覺效果,讓畫面更加的逼真。看漫威的科幻大片,是不是給你一種異常真實的錯覺?這就是光線追蹤的魅力。英特爾® FPGA中國創新中心(以下簡稱“創新中心”)展廳,展出了一例光線追蹤演示。在體驗此演示之前,我們先來了解下光線追蹤。

 

01、什么是光線追蹤?

光線跟蹤(ray tracing),也叫raytracing或者光束投射法,是一個在二維(2D)屏幕上呈現三維(3D)圖像的方法。簡單來說,在真實世界中,我們看到的3D物體被光源照亮,其光子可以在到達我們眼睛以前從一個物體反彈到另一個物體。

 

中學物理課上,我們就曾學過光學知識,當光線透射到物體表面時,通常會同時發生三種變化——光被吸收、反射和折射。特別是當光被折射到不同方向時,光譜就會發生變化。無論怎樣,光線總會經過一系列的衰減最后進入人的眼睛。比如光線可能會因被某些物體阻擋形成陰影,再比如光線穿過玻璃或水等透明或半透明的物體時發生折射。

 

光線追蹤通過從我們的眼睛反向追蹤光線,計算出光線發出后經過一系列(比如折射、衍射、散射、反射、吸收等)衰減再進入人眼時的情況,渲染出我們肉眼無法辨別的場景。光線追蹤在圖形渲染過程中實時跟蹤物體和環境的光線,準確進行光線反射和折射、全局照明、物理陰影的繪制,可以帶來近乎百分之百真實的渲染畫面,尤其是光影效果。

 

02、光線追蹤工作原理

光線追蹤技術是由幾何光學通用技術衍生而來,它通過追蹤光線與物體表面發生的交互作用,得到光線經過路徑的模型。換個通俗的說法,我們先假設屏幕內的世界是真實的,顯示器是個透明的玻璃,只要找到屏幕內能透過人眼的光線,加以追蹤就能構建出完整的3D畫面。

 

光線追蹤算法分為兩種——正向跟蹤算法和反向追蹤算法。

 

正向跟蹤算法是大自然的光線追蹤方式,即由光源發出的光經環境景物間的多次反射、投射后投射到景物表面,最終進入人眼。

 

反向追蹤算法正好相反,它是從觀察者的角度出發,只追蹤那些觀察者所能看見的表面投射光。目前,所有3D制作軟件的光線追蹤算法都是采用反向追蹤法,可最大程度地節省計算機的系統資源,且不會導致渲染質量的下降。

 


▲反向追蹤原理圖

 

03、光線追蹤的應用

文章開頭已說到,電影行業對光線追蹤的應用,完全可以達到以假亂真的效果。除了真人電影,動畫電影通過光線和陰影隱匿用數字方式生成場景,也能達到逼真的傳神效果。

 

在少數的游戲中,光線追蹤技術為游戲帶來更加逼真的畫面。比如《戰地5》,當玩家開啟光線追蹤后,進入游戲劇情模式。水面上栩栩如生的倒影、建筑中擬真的光影、甚至地板上的倒影都完美還原,這些精美細膩的畫面,讓人一時分不清是游戲還是電影。

 

以前的游戲渲染是將3D圖形投射到2D的屏幕上,后期再進行光線、陰影的處理,所以效果很粗糙。而光線追蹤技術是一種新算法,通過將光線擴展到整個場景中,實時準確地進行物理陰影、反射、折射和全局照明的繪制,從而打造出更加逼真的環境。

 

04、基于FPGA的光線追蹤

目前,光線追蹤在影視特效中做靜幀渲染已不新鮮,而3D圖形游戲中還用之較少。這是為何呢?

 

光線追蹤還未能普及運用到游戲行業的原因很顯然——它那恐怖的計算量。據說,如果要用光線追蹤渲染出達到逼真的游戲畫面質量,同時跑出可流暢運行的幀數,每秒需要計算大概10億束光線。

 

創新中心展廳的基于英特爾® Cyclong® V FPGAs的光線追蹤演示,是一個固定光源照射在三個球體上,然后在FPGA上通過算法來模擬陰影。此時,球體在光照下產生的影子能夠實時跟隨光源的轉動,而當切換到用其他處理平臺實現的算法,光線跟蹤的結果非常卡頓。使用FPGA算法的實現加速了10倍以上,體現了FPGA強大的并行處理能力。

 


▲創新中心展廳Demo展示

 

同時,這個demo使用了OpenCL™這種更簡單的編程語言,實現了硬件加速,而不用學習復雜的硬件描述語言,減少學習成本,使整個方案在更小的板卡上實現,功耗更低,是一個非常具有吸引力的嵌入式應用方案。

 

光線追蹤需要很強大的算力支持,FPGA作為十分靈活且強大的計算加速器,像是一劑助力神器。或許,在未來基于FPGA的光線追蹤,可實現光線追蹤技術在游戲中的普遍運用。

 
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