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杨雪青 NVIDIA 开发者技术工程师, 2019年12月18日
实时光线追踪基础
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概要
光线追踪及算法简介
Classical Ray Tracing, Distribution Ray Tracing, Path Tracing, Photon Mapping
GPU光线追踪
光线追踪API,光线追踪GPU
游戏中的实时光线追踪特效
反射,阴影,全局照明, 焦散等
游戏引擎中的光线追踪
UE4, Unity
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光线追踪及算法简介
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什么是3D渲染?光线追踪
射线的数学定义
射线的原点(位置):O
射线的方向:D
射线上的任意点可表示为:P = O + t*D, t代表P与O的距离
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光线追踪重心坐标
P0
P1
P2
A = A0 + A1 + A2P
A0 = 三角形P2P1P的面积
A1 = 三角形P0P2P的面积
A2 = 三角形P1P0P的面积A1
A2
A0
P = 射线与三角形P0P1P2交点
w0 = A0/A
w1 = A1/A
w2 = A2/A
(w0)
(w2)
(w1)
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光线追踪重心坐标
(u0, v0)
(u1, v1)
(u2, v2)
u = w0 * u0 + w1 * u1 + w2 * u2
v = w0 * v0 + w1 * v1 + w2 * v2
P
(u, v)
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光栅化
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什么是3D渲染?光线追踪
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什么是3D渲染?物体上的颜色从何而来?
直接光照
间接光照
自发光
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1980: CLASSICAL RAY TRACING
Image now generated in real-time, in OptiX (was 74 minutes per frame in 1980)
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CLASSICAL RAY TRACING
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1980: CLASSICAL RAY TRACING
对于每个像素
• 从视点发射光线到场景
• 从交点向每个光源发射一条光线: shadows
• 为每次折反射生成新的光线
highly polished surface Generated using OptiX sample “optixWhitted”
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1984: COOK STOCHASTIC (“DISTRIBUTION”) RAY TRACING允许Shadow Ray射向面积光上任意一点
允许在理想反射方向周围对Specular Ray进行扰动
在帧间某时发射以制作运动模糊。
glossy surface
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STOCHASTIC RAY TRACING
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Path Tracing: 发射光线并沿着光线的一系列相互反射进行跟踪
“渲染方程”
确保在光线数量达到极限多时能得到正确结果
1986: Kajiya-Style Diffuse Interreflection
diffuse surface reflection
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渲染方程
出射亮度 自发光亮度 反射所有外部入射光线的亮度
BRDF
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PATH TRACING
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PHOTON MAPPING
从光源发出射线,追踪光子的行进路线
视点
焦散(Caustics)
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如何用有限的采样次数来完成任务
蒙特卡洛采样积分+重要性采样 → 大量采样逼近真实解
实时渲染每像素至多几个采样(spp/samples per pixel)
低采样率导致噪点, 使用降噪器产生高质量画面
随机采样 + 降噪
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GPU光线追踪
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光线追踪软件接口
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光线追踪API概览
光线追踪API与硬件
▪ DirectX Raytracing (简称DXR)
▪ DXR为D3D12的直接扩展
▪ 全新管线,包含光线追踪的专用Shader类型与资源
▪ 紧密结合传统光栅化与通用计算管线,易于实现混合渲染
▪ 通过D3D12已有机制进行提交和调度
▪ 与原有渲染管线共享资源,无需转换
▪ Vulkan Ray Tracing (简称VKRay)
▪ 使用扩展VK_NV_ray_tracing
▪ 全新管线,包含光线追踪的专用Shader类型与资源
▪ 紧密结合传统光栅化与通用计算管线,易于实现混合渲染
▪ 通过Vulkan已有机制进行提交和调度
▪ 与原有渲染管线共享资源,使用无捆绑模式(bindless)
▪ Khronos标准制定当中
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光线追踪API:高层结构
光线追踪API与硬件
加速结构Acceleration Structures
着色器表Shader Table
光线追踪管线Ray Tracing Pipeline
资源Resources
光线求交调用TraceRay()
属性索引着色结果
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光线追踪管线 (Ray Tracing Pipeline)
光线追踪API与硬件
1. 发射光线▪ 新Shader类型Ray Generation Shader
▪ DXR: DispatchRays(); HLSL: TraceRay()函数
▪ VKRay: vkCmdTraceRaysNV(); GLSL: traceNV()函数
2. 求光线与物体的交点▪ 遍历加速结构(Acceleration Structures)
▪ 新Shader类型Intersection Shader(可选)
3. 处理交点 — 进行着色,继续发射光线,等等▪ 新Shader类型Closest Hit Shader(可选)和Any Hit Shader(可选)
4. 处理无交点的情况 — 继续发射光线,或终止
▪ 新Shader类型Miss Shader
Hit Group
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▪ AS是树形数据结构,用于加速光线遍历
▪ 两级层次结构
▪ 底层加速结构(BLAS): 对应单个物体,针对基本几何体信息(三角形及包围盒)
▪ 顶层加速结构(TLAS): 对应场景,存储多个BLAS的实例(Instance)信息,包括坐标变换数据、材质等
▪ AS由驱动创建维护
▪ 应用程序调用API进行管理
▪ 两种方式: 重建(Build),更新(Update)
DXR: BuildRaytracingAccelerationStructure()
VKRay: vkCmdBuildAccelerationStructureNV()
加速结构(Acceleration Structure)
光线追踪API与硬件
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RayGen Miss
RayType 0
Miss
RayType 1
Hit
Geometry 0RayType 0
Hit
Geometry 0RayType 1
Hit
Geometry 0RayType 0
Hit
Geometry 0RayType 1
Hit
Geometry 1RayType 0
Hit
Geometry 1RayType 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Instance A Instance B
InstanceContributionToHitGroupIndex
▪ 着色器表用于索引一次光线追踪中可能用到的所有资源
▪ 顶层加速结构(TLAS)中的节点指向着色器表中的对应记录
▪ 由多条等长的记录构成
▪ DXR:着色器表中可存放常量、resource view等数据
▪ VKRay:资源使用无绑定模式(Bindless),着色器表中只存放资源的全局索引
光线追踪API与硬件
Shader Record
Shader Identifier
uint64
uint
float
int
Shader Record
着色器表(Shader Table)
DXR
VKRay
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光线追踪API:全景
光线追踪API与硬件
DispatchRays()
Hit Group
TraceRay
Shader Identifier
Local Root Arguments
Ray Generation
Shader
Ray Tracing
Pipeline
Shader Table
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支持DXR与VKRay的GPU
光线追踪API与硬件
无RT Cores
简单的RT特效
光线数量少
有RT Cores
复杂的RT特效
同时运行多种特效
光线数量多
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非RTX GPU软件模拟BVH遍历
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TURING RT CORE使用硬件加速代替软件模拟
▪ 用于加速BVH遍历及光线与三角形的求交检测
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TURING的光线追踪性能>10 Giga Rays
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游戏中的实时光线追踪特效
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光线追踪与传统渲染相结合
游戏中的实时光追特效
▪ 光栅化: 主要渲染流程,如前向渲染、延迟渲染
▪ 光线追踪: 次级光线效果,如反射、阴影
▪ 通用计算: 模拟,后处理
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光追阴影
游戏中的实时光追特效
▪ 光追阴影的使用
▪ 广泛应用于传统阴影算法难以解决的面光源、点光源阴影
▪ 可用于多光源同时产生阴影
▪ 需要使用降噪器对结果进行处理
▪ 光追阴影的优势
▪ 产生精细的半影效果
▪ 在很多情况下性能优于传统阴影(UE4)
▪ 实现代码简洁
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光追反射
游戏中的实时光追特效
▪ 反射是当前性价比最高的光追特效
▪ 具有传统SSR无法比拟的效果优势
▪ 单次光追反射可使用deferred shading
▪ 反射的应用场景
▪ 水体:海面、河流
▪ 天气效果:下雨场景,潮湿地面、墙面
▪ 材质:金属,瓷器,大理石,漆面,玻璃,冰面
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光追GI与AO
游戏中的实时光追特效
▪ 光追GI的优势
▪ 实时更新,更好地支持动态物体
▪ 弥补传统SSGI信息不足的问题
▪ 有效解决传统GI的漏光问题
▪ 光追AO的优势
▪ 解决传统SSAO信息不足的造成的错误结果
图片来源:METRO EXODUS
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光追焦散
游戏中的实时光追特效
▪ 光追焦散的优势
▪ 传统方法缺乏有效的实现方法
▪ 焦散性能较高,不涉及复杂的材质
▪ 准确反映与水面的交互
▪ 有效增加游戏的实时互动性
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游戏引擎中的光线追踪
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Unreal Engine 4
游戏引擎中的光线追踪
▪ 推荐使用版本UE4.24
▪ https://github.com/EpicGames/UnrealEngine/tree/4.24
▪ 修复了4.22以来的大量问题,并大幅提高了性能
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41
UE4.24支持的主要光追特性
游戏引擎中的光线追踪
▪ 光追效果
▪ 反射, 折射, 阴影, 半透明, 环境光遮蔽(AO), 实时全局照明(GI)
▪ Path Tracing (离线渲染)
▪ 支持列表
▪ 光源: 直射光, 聚光, 点光, 天光, 面光, 图像光(IBL), 以及这些光源的阴影
▪ 材质: 普通, 无光, 双面, 函数
▪ 模型: static w/ wpo, skeletal, geometry cache, landscape, foliage, procedural mesh
▪ 粒子: Niagara (sprite, ribbon, mesh)
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Unity
游戏引擎中的光线追踪
▪ Unity 2019.3 beta
▪ Ray Tracing in HDRP (Preview)
▪ HDRP = High Definition Render Pipeline
▪光线追踪特性
▪ 面积光软阴影,反射,半透明,AO,GI
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