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華為有一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，可能一直沒有引起大家的注意，就是華為的“鳳凰引擎”，這個(gè)圖像渲染技術(shù)的最大特點(diǎn)就是支持“光線追蹤”。 6月2日，華為將召開鴻蒙OS以及全場(chǎng)景新品發(fā)布會(huì)，很有可能會(huì)一同發(fā)布“鳳凰引擎”。這是我猜的，為啥會(huì)這么猜，我后面會(huì)講。今天就給大家講講這個(gè)非常厲害的技術(shù)！

首先我們對(duì)“光線追蹤”技術(shù)做一個(gè)簡單的介紹，這樣更有利于向大家介紹華為的鳳凰引擎。

“光線追蹤”（Ray Tracing）是2018年由英偉達(dá)首先發(fā)布的一項(xiàng)圖形渲染技術(shù)，也是廣大游戲玩家喜聞樂見的一項(xiàng)功能。目前支持“光線追蹤”功能的只有PC上的高端游戲顯卡，以及最新發(fā)布的PS5和Xbox游戲主機(jī)。

光線追蹤渲染效果

在“光線追蹤”功能發(fā)布之前，游戲中的畫面主要采用“光柵化”（也叫柵格化，Rasterization）技術(shù)進(jìn)行渲染，可以實(shí)現(xiàn)一些局部照亮的光線效果，畫面細(xì)節(jié)主要靠的是貼圖。游戲想要做得越精美，貼圖資源也會(huì)做得越多。因此一些游戲大作的安裝包文件，會(huì)非常龐大。

光柵化渲染簡單演示

在游戲運(yùn)行過程中，會(huì)有大量的三角形運(yùn)算，以及大量的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)貼圖運(yùn)算，會(huì)涉及到一些復(fù)雜算法和內(nèi)存管理問題，一些大型游戲會(huì)非常依賴顯卡GPU的運(yùn)算能力以及顯存容量。如果顯卡能力不足，就會(huì)出現(xiàn)畫面鋸齒、貼圖錯(cuò)誤、光線失真、畫面掉幀等等問題。

光線追蹤原理

而“光線追蹤”技術(shù)，簡單地說，就是通過模擬光線的照射路徑，真實(shí)地重現(xiàn)光線、材質(zhì)、陰影和反射，計(jì)算出光線從發(fā)出以后，經(jīng)過一系列衰減，再進(jìn)入人眼時(shí)的情況，使畫面看上去更加逼真?！肮饩€追蹤”不再需要貼圖資源，不過要想得到更加真實(shí)的畫面，依然需要顯卡具備極高的算力。

舉個(gè)栗子，當(dāng)年火爆的電影《流浪地球》，其中的CG畫面就使用了光線追蹤技術(shù)。在高峰時(shí)期，特效公司曾經(jīng)一次調(diào)用1000臺(tái)華為云主機(jī)進(jìn)行畫面渲染，最終給觀眾呈現(xiàn)出非常逼真的電影畫面。

NVIDIA顯卡的光追架構(gòu)

英偉達(dá)的RTX顯卡，為了實(shí)現(xiàn)更好的“光線追蹤”效果，在顯卡核心里，專門設(shè)計(jì)了光追加速單元(RT Core)來計(jì)算射線和三角形求交，配合顯卡原有的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，以及深度學(xué)習(xí)算法，大幅提高畫面的渲染效果。不過后來，NVIDIA將“光線追蹤”功能也下放到了GTX10系列顯卡上，通過升級(jí)驅(qū)動(dòng)，也能夠在軟件層面實(shí)現(xiàn)部分“光線追蹤”效果。

其實(shí)華為手機(jī)支持“光線追蹤”并不是現(xiàn)在的新聞。早在2019年，華為就已經(jīng)聯(lián)合網(wǎng)易，在EMUI 10系統(tǒng)上做了首次嘗試，發(fā)布了首款支持“光線追蹤”功能的手機(jī)游戲《遇見逆水寒》。

首次在EMUI10.0實(shí)現(xiàn)光線追蹤

當(dāng)開啟“光線追蹤”功能后，游戲的光影效果、人物細(xì)節(jié)會(huì)更加出色，畫質(zhì)提升非常明顯。從游戲畫面，我們可以看到實(shí)時(shí)光線追蹤軟陰影、實(shí)時(shí)光線追蹤磨砂鏡面反射、實(shí)時(shí)光線追蹤全景反射等多種光追效果。

實(shí)時(shí)光線追蹤軟陰影實(shí)時(shí)光線追蹤磨砂鏡面反射實(shí)時(shí)光線追蹤全景反射

當(dāng)時(shí)華為的手機(jī)用的還是麒麟990。麒麟990的GPU是660MHz的16核心ARM Mali-G76，32位浮點(diǎn)算力只有460.8GFLOPS（這里假設(shè)每個(gè) FP32 執(zhí)行單元可以每個(gè)周期跑完一條 FMA FP32 指令）。這個(gè)性能水平只相當(dāng)于臺(tái)式機(jī)NVIDIA支持光追的顯卡RTX2060的算力6.5TFLOPS的7%。

能在如此低的算力下，實(shí)現(xiàn)“光線追蹤”效果，說明華為在軟件層面對(duì)加速結(jié)構(gòu)和算法實(shí)現(xiàn)了突破，不得不感嘆華為的技術(shù)實(shí)力！

不過《遇見逆水寒》畢竟只是一款小眾休閑游戲，對(duì)畫面要求不高，實(shí)現(xiàn)的“光線追蹤”效果也比較簡單，還不足以產(chǎn)生顛覆性影響，只能算是華為的第一次試水。

光追與光柵渲染耗電對(duì)比

這里順帶講解一個(gè)誤區(qū)，大家不要以為開啟“光線追蹤”以后一定會(huì)更耗電。正好相反，開啟光線追蹤以后，系統(tǒng)的耗電量可能反而會(huì)下降。比如這個(gè)《遇見逆水寒》游戲，根據(jù)網(wǎng)易公布的性能測(cè)試，當(dāng)畫面中出現(xiàn)一面鏡子的時(shí)候，光線追蹤渲染1幀畫面，耗電是15.94毫安，而光柵渲染耗電19.04毫安。當(dāng)畫面中出現(xiàn)多個(gè)鏡面的時(shí)候，光線追蹤渲染1幀耗電19.7毫安，而光柵渲染則需要63.43毫安，是光線追蹤耗電的3倍。場(chǎng)景特效里應(yīng)用光線追蹤的位置越多，就越省電。

華為第一次向外界公開“鳳凰引擎”，是在去年10月舉行的中國計(jì)算機(jī)圖形學(xué)大會(huì)上。華為當(dāng)時(shí)用一臺(tái)神秘設(shè)備，演示了“鳳凰引擎”強(qiáng)大的“光線追蹤”效果。

鳳凰引擎光追演示視頻截圖鳳凰引擎光追演示視頻截圖

視頻畫面是1080p，60fps。從畫面上可以看出，華為的光追效果不輸給桌面電腦的高端顯卡。車身漆面反光、地面石頭紋理、建筑物的不同表面材質(zhì)的渲染，效果都非常驚人。

《天諭》手游光追效果

就在今年上半年，華為與網(wǎng)易合作開發(fā)了第二款支持“光線追蹤”的手游《天諭》。畫面效果也是非常驚艷，可以看到游戲中水面倒影更加真實(shí)，水面動(dòng)態(tài)反射效果更加逼真，可以實(shí)現(xiàn)曲面玻璃的物體倒影“動(dòng)態(tài)”渲染，而且在保證畫面質(zhì)量的同時(shí)，畫面幀數(shù)可以穩(wěn)定在60幀以上。

《天諭》手游光追效果《天諭》手游光追效果

目前華為已經(jīng)把鳳凰引擎集成在了華為移動(dòng)核心（HMS Core）的圖形引擎開發(fā)工具Scene Kit里面。Scene Kit 基于GPU Turbo X技術(shù)，包括渲染引擎、材質(zhì)引擎、動(dòng)畫引擎、物理引擎、粒子系統(tǒng)、開發(fā)工具等幾個(gè)模塊，頂層支持各類3D應(yīng)用和第三方引擎插件。應(yīng)用開發(fā)者可以通過Scene Kit，開發(fā)出包括光線追蹤功能的各類應(yīng)用。

Scene Kit還有很多其它強(qiáng)大的圖形處理能力，我這里就不做過多的技術(shù)講解了，感興趣的小伙伴可以在華為開發(fā)者網(wǎng)站上查閱相關(guān)資料。

Scene Kit的圖形增強(qiáng)插件Easy Supersampling圖形增強(qiáng)插件Slim LOD圖形增強(qiáng)插件

另外，結(jié)合華為自研的麒麟處理器，相信可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的圖形性能。只是可惜目前華為正在被制裁，無法更新自己的處理器，只能在軟件層面繼續(xù)發(fā)力。

隨著“光線追蹤”功能在華為系統(tǒng)中的應(yīng)用，將給開發(fā)者帶來更多的創(chuàng)作和想象空間，而鴻蒙OS將是搭載“光線追蹤”功能的第一個(gè)移動(dòng)操作系統(tǒng)。

為什么華為不在之前宣布鳳凰引擎呢？大概有兩個(gè)原因。第一，這個(gè)引擎還一直處在不斷開發(fā)完善中，比如粒子系統(tǒng)和部分開發(fā)工具，就是在今年初才開發(fā)完成的。第二個(gè)原因就是，華為馬上就要放棄安卓系統(tǒng)，全面轉(zhuǎn)向鴻蒙OS，所以，與鴻蒙OS一起發(fā)布才更合乎邏輯。

另外，三星的下一款旗艦CPU將采用AMD的RDNA2架構(gòu)，也將開啟對(duì)“光線追蹤”的支持。蘋果的iPhone13也可能將在硬件上支持“光線追蹤”。未來“光線追蹤”技術(shù)將會(huì)在移動(dòng)設(shè)備上遍地開花，支持光追的游戲?qū)⒊蔀橄乱粋€(gè)熱點(diǎn)。

“鳳凰涅槃，浴火重生” 也許正預(yù)示了華為將憑借鴻蒙OS頑強(qiáng)地活下去！

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