蔣莉珍

（桂林航天工業(yè)學(xué)院， 廣西 桂林541001）

0 引 言

用射線跟蹤生成的圖像質(zhì)量比用光柵化高很多［1］，一個(gè)典型的例子就是近年來動(dòng)畫中大多數(shù)的特技效果都用路徑跟蹤來完成的。 但是使用射線跟蹤是有挑戰(zhàn)性的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，例如在游戲中的應(yīng)用。首先像包括包圍卷層次（BVH）構(gòu)造、BVH 遍歷、和射線／原始交叉測(cè)試等射線跟蹤算法的步驟的代價(jià)是非常高昂的。 其次在射線跟蹤技術(shù)中采用隨機(jī)抽樣也非常困難，因?yàn)橥ǔＰ枰獢?shù)百到數(shù)千的樣本，以產(chǎn)生一個(gè)收斂的圖像，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)代實(shí)時(shí)渲染技術(shù)的預(yù)算的計(jì)算范圍，現(xiàn)代實(shí)時(shí)渲染技術(shù)只能按幾個(gè)數(shù)量級(jí)來進(jìn)行計(jì)算，并且，直到最近，實(shí)時(shí)圖形api 還沒有光線跟蹤支持使光線追蹤集成在當(dāng)前的游戲中很難被利用。 隨著在DirectX 12 和Vulkan 中射線跟蹤支持的宣布徹底的改變了此前的狀況。 本文主要采用了DirectX 射線追蹤（DXR）并將其集成到UE4 中，這使得可以重用現(xiàn)有的材質(zhì)著色器代碼。

1 Ue4 中集成射線跟蹤

將光線跟蹤框架集成到大型應(yīng)用程序如虛幻引擎中是非常困難的，對(duì)于ue4 來說已經(jīng)算是非常大的構(gòu)架更改了［2］。 將光線追蹤集成到UE4 主要為了實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下：

（1）性能。 這是UE4 的一個(gè)關(guān)鍵方面，通過此方面來判斷光線跟蹤功能是否可以符合用戶的期望。 通過使用現(xiàn)有的基于光柵化的技術(shù)計(jì)算g 緩沖區(qū)，然后通過對(duì)比可以幫助我們更好進(jìn)行的判斷，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)最重要的是射線是用來計(jì)算特定的通道，如反射或面積光的陰影。

（2）兼容性。 射線跟蹤通過的輸出與現(xiàn)有的UE4 的著色和后處理管道必須是兼容的。

（3）光的陰影一致。 UE4 使用的陰影模型必須準(zhǔn)確使用光線追蹤來產(chǎn)生一致的陰影效果。 具體來說時(shí)需要嚴(yán)格遵循相同的數(shù)學(xué)規(guī)則在現(xiàn)有的著色器代碼中對(duì)UE4 提供的各種遮陽(yáng)模型做BRDF 評(píng)估，重要性抽樣，和BRDF 概率分布函數(shù)。

（4）最小化中斷。 現(xiàn)有的UE4 用戶必須找到易于理解和擴(kuò)展的集成，因此，這些集成必須遵循UE設(shè)計(jì)范例。

（5）多平臺(tái)支持。 最初在UE4 中實(shí)時(shí)光線跟蹤是完全基于DXR，如果需要UE4 的多平臺(tái)特性支持必須設(shè)計(jì)新系統(tǒng)，這樣在以后進(jìn)行平臺(tái)移動(dòng)時(shí)就不必過多的關(guān)注重構(gòu)技術(shù)了。

整合分為兩個(gè)階段。 第一個(gè)階段是原型階段，本文利用了“反射”（《星球大戰(zhàn)》的部分）和“光速”（保時(shí)捷）演示探討了光線跟蹤技術(shù)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。 以此來幫助我們獲取到了有關(guān)性能、API、集成延遲著色管道渲染硬件接口中需要的更改（RHI）、一個(gè)從每個(gè)硬件的細(xì)節(jié)中抽象出用戶的薄層平臺(tái)、著色器API 的變化、可擴(kuò)展性等等集成中最具挑戰(zhàn)性的方面的結(jié)論。

在找到第一階段出現(xiàn)的大多數(shù)問題的答案后，進(jìn)入第二階段。 這包括對(duì)UE4 高級(jí)版本的重大重寫渲染系統(tǒng)，除了提供了一個(gè)更好的實(shí)時(shí)光線追蹤的集成，也提升了整體性能提高了著色器API 的可擴(kuò)展性等等各方面的好處［3］。

下面簡(jiǎn)述一下在高層次上將射線跟蹤集成到基于柵格的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中渲染引擎的幾個(gè)步驟：（1）注冊(cè)將被ray 跟蹤的幾何圖形這樣保證了當(dāng)圖形改變時(shí)可以加速結(jié)構(gòu)可以建立或更新。 （2）創(chuàng)建命中著色器，使任何時(shí)候的射線擊中一塊幾何圖形，都可以像在基于柵格化的渲染計(jì)算它的材料參數(shù)。 （3）創(chuàng)建光線生成著色器，跟蹤陰影反射等各種用途的光線情況。

2 DIRECTX 射線追蹤加速結(jié)構(gòu)的背景

要理解第一步，首先要理解由DirectX 射線跟蹤API 公開的兩級(jí)加速結(jié)構(gòu)（AS）。 在DXR 中兩種類型的加速結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)兩級(jí)層次結(jié)構(gòu)：頂級(jí)加速結(jié)構(gòu)（TLAS）和底層加速結(jié)構(gòu)（BLAS）［4］。 如圖1 所示，TLAS 構(gòu)建在一組實(shí)例之上，并且每個(gè)實(shí)例都有一個(gè)有自己的變換矩陣和指向BLAS 的指針。 每個(gè)BLAS 都建立在一組幾何原語(yǔ)之上，幾何原語(yǔ)可以是三角形，也可以是AABBS，這些其中AABBS 被用來封裝自定義幾何圖形，由于沿著射線可以找到AABBS 所以這些幾何圖形將使用自定義交叉著色器在加速結(jié)構(gòu)遍歷過程中進(jìn)行交叉。 TLAS 通常為動(dòng)態(tài)場(chǎng)景重建每個(gè)幀，每個(gè)TLAS 為每個(gè)獨(dú)特的幾何圖形至少構(gòu)建一次［5］。 如果幾何圖形是靜態(tài)的，則在初始構(gòu)建之后不需要額外的BLAS 構(gòu)建操作。不過對(duì)于動(dòng)態(tài)幾何，BLAS 將需要更新或完全重建。當(dāng)輸入原語(yǔ)的數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，需要重新構(gòu)建完整的BLAS 比如三角形或AABBS 需要添加或刪除。對(duì)于BVH（這是NVIDIA RTX 實(shí)現(xiàn)所使用的）來說BLAS 更新需要一個(gè)refit 操作，其中樹中的所有AABBS 都從葉子更新到根，但樹結(jié)構(gòu)保持不變。

圖1 加速結(jié)構(gòu)的兩級(jí)層次結(jié)構(gòu)Fig. 1 A two-level hierarchy of accelerated structures

3 UE4 RHI 的實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展

在實(shí)驗(yàn)UE4 實(shí)現(xiàn)中，擴(kuò)展渲染硬件接口（RHI）的抽象靈感來自于NVIDIAOptiX API，但略有不同把整個(gè)的抽象做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。 這個(gè)抽象由3 種對(duì)象 類 型 組 成： rtScene， rtObject， 和 rtGeometry。rtScene 是由多個(gè)有效的rtObjects 組成的實(shí)例，每個(gè)實(shí)例都指向一個(gè)rtGeometry。 rtScene 封裝了一個(gè)TLAS，而rtGeometry 封裝了多個(gè)BLAS。 rtGeometry和任何指向給定rtGeometry 的rtObject 都可以由多個(gè)部分組成，所有這些都屬于同一個(gè)UE4 原始對(duì)象（靜態(tài)網(wǎng)格或骨架網(wǎng)格）并且共享相同的索引和頂點(diǎn)緩沖區(qū)，但是他們可以使用不同的（材質(zhì)）點(diǎn)擊著色器。 rtGeometry 本身沒有與之關(guān)聯(lián)的著色器，因此我們可以在rtObject 部分設(shè)置著色器及其參數(shù)。

引擎材質(zhì)著色系統(tǒng)和RHI 也被擴(kuò)展到支持DXR 中新的射線跟蹤著色器類型，在實(shí)驗(yàn)中主要的著色階段為射線生成、最近命中、任意命中、交叉、錯(cuò)過。 與這些著色器階段的射線跟蹤管道如圖2 所示。 除了最近命中和任何命中的著色器，本文還擴(kuò)展了引擎支持使用現(xiàn)有的頂點(diǎn)著色器（VS）和像素著色器（PS）。 利用了一個(gè)擴(kuò)展開源微軟DirectX 的實(shí)用工具編譯器來提供一種從預(yù)編譯的VS 和PS的DXIL 表示生成最近命中和任意命中著色器的機(jī)制。 此實(shí)用程序?qū)S 代碼、輸入組裝階段的輸入布局（包括頂點(diǎn)和索引緩沖區(qū)格式和步長(zhǎng)）和PS 代碼作為輸入。 給定這個(gè)輸入，它可以生成執(zhí)行索引緩沖區(qū)提取、頂點(diǎn)屬性提取、格式化的最優(yōu)代碼，接下來是VS 求值（對(duì)于三角形中的三個(gè)頂點(diǎn)），然后使用擊中時(shí)的重心坐標(biāo)插值VS 輸出，其結(jié)果作為輸入提供給PS。 該實(shí)用程序還能夠生成一個(gè)最小的任意點(diǎn)擊著色器來執(zhí)行alpha 測(cè)試。 這使得引擎中的渲染代碼可以繼續(xù)使用頂點(diǎn)和像素著色器，就好像它們將 被用來采用光柵化G-buffer 設(shè)置著色器參數(shù)一樣。

圖2 射線跟蹤管道Fig. 2 Ray tracing pipeline

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)性的RHI 抽象下的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)額外的職責(zé)：編譯射線跟蹤著色器（到特定于gpu 的表示）以及管理著色器綁定表，管理著色器綁定表指向需要用于每個(gè)幾何圖形塊的著色器代碼和著色器參數(shù)。

4 有效地編譯射線跟蹤著色器

在引入RTX 和DirectX 射線跟蹤之前，圖形api（用于柵格化和計(jì)算）中現(xiàn)有的管道抽象只需要提供少量的著色器（1 到5 個(gè)）來創(chuàng)建所謂的管道狀態(tài)對(duì)象（PSO），該對(duì)象它封裝了用于輸入著色器的已編譯的特定于機(jī)器的代碼。 這些圖形api 允許在需要時(shí)并行創(chuàng)建許多管道狀態(tài)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象用于不同的材質(zhì)或渲染管道。 然而，射線跟蹤管道在很大程度上改變了這一點(diǎn)。 射線跟蹤管道狀態(tài)對(duì)象（RTPSO）必須與所有可能需要在給定場(chǎng)景中執(zhí)行的著色器一起創(chuàng)建，比如當(dāng)一個(gè)射線命中任何對(duì)象時(shí)，不管什么樣子的對(duì)象系統(tǒng)都可以執(zhí)行與之相關(guān)聯(lián)的著色器代碼。 在當(dāng)今游戲的復(fù)雜內(nèi)容中，這很容易就意味著成千上萬(wàn)著色器。 編譯數(shù)以千計(jì)的射線跟蹤著色器成機(jī)器碼如果順序進(jìn)行，一個(gè)RTPSO可能非常耗時(shí)。 幸運(yùn)的是，這兩個(gè)DirectX 射線跟蹤和所有其他由RTX expose 啟用的NVIDIA 射線跟蹤api 能夠編譯利用當(dāng)今cpu 的多核在并行多射線跟蹤著色機(jī)的機(jī)器碼。 在實(shí)驗(yàn)中UE4 實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以通過簡(jiǎn)單地調(diào)度單獨(dú)的任務(wù)來使用這個(gè)功能，它們各自編譯一個(gè)射線跟蹤著色器或命中組，形成DXR 所謂的集合。 在每一幀，如果沒有其他著色器編譯任務(wù)已經(jīng)在執(zhí)行，檢查是否存在那種需求但不能用的著色器。 如果找到任何這樣的著色器，我們就開始新一輪的著色器編譯任務(wù)。 我們還檢查了每一幀之前是否有著色器編譯任務(wù)已經(jīng)完成。 如果完成了創(chuàng)建了一個(gè)新的RTPSO，替換了之前的RTPSO。 在任何時(shí)候，一個(gè)RTPSO 都用于一個(gè)幀中的所有DispatchRays（）調(diào)用。 任何舊的RTPSO 如果不在幀框架中使用時(shí)都會(huì)被新的RTPSO 所取代。 當(dāng)構(gòu)建TLAS 時(shí)，當(dāng)前RTPSO 中尚未提供所需著色器的對(duì)象會(huì)被刪除（跳過）。

5 著色器綁定表

這個(gè)表是一個(gè)由多個(gè)記錄組成的內(nèi)存緩沖區(qū)，每個(gè)記錄都包含一個(gè)不透明的著色器標(biāo)識(shí)符和一些著色器參數(shù)，它們相當(dāng)于DirectX 12 調(diào)用的根表（用于圖形管道繪制或計(jì)算管道調(diào)度）。

由于第一個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的目的是得到每一幀更新場(chǎng)景中每個(gè)對(duì)象的著色器參數(shù)，所以著色器綁定表管理很簡(jiǎn)單，就像命令緩沖區(qū)一樣。 著色器綁定表被分配為一個(gè)n 緩沖的線性內(nèi)存緩沖區(qū)，大小由場(chǎng)景中的對(duì)象數(shù)量決定。 在每個(gè)框架中，我們利用可見的GPU 以及可以分配緩沖區(qū)的CPU 來編寫整個(gè)著色器綁定表，然后我們將GPU 副本從這個(gè)緩沖區(qū)加入到GPU 本地副本的隊(duì)列中。

6 結(jié)束語(yǔ)

最近引入的用于光線跟蹤加速的專用硬件和圖形api 中添加的光線跟蹤進(jìn)行創(chuàng)新，并嘗試一種混合呈現(xiàn)的新方法，將柵格化和光線跟蹤相結(jié)合。 雖然沒有進(jìn)行在商業(yè)級(jí)游戲引擎虛幻引擎4 中集成光線追蹤的工程實(shí)踐。 不過這種創(chuàng)新的重建過濾器，用于渲染隨機(jī)效果，如光滑的反射、柔和的陰影、環(huán)境遮擋和漫射間接照明，每個(gè)像素只有一條路徑，使這些昂貴的效果在實(shí)時(shí)中應(yīng)用成為可能。 而且已經(jīng)成功地使用混合渲染創(chuàng)建了兩個(gè)電影質(zhì)量的演示雖然演示的片段過于短促。