實(shí)時(shí)全局光照（Real-time GI）一直是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的圣杯。

多年來(lái)，業(yè)界也提出多種方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

常用的方法包通過(guò)利用某些假設(shè)來(lái)約束問(wèn)題域，比如靜態(tài)幾何，粗糙的場(chǎng)景表示或者追蹤粗糙探針，以及在兩者之間插值照明。

在虛幻引擎中，全局光照和反射系統(tǒng)Lumen這一技術(shù)便是由Krzysztof Narkowicz和Daniel Wright一起創(chuàng)立的。

目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)與前人不同的方案，能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一照明，以及類(lèi)似烘烤一樣的照明質(zhì)量。

近期，在SIGGRAPH 2022上，Krzysztof Narkowicz和團(tuán)隊(duì)講述了他們構(gòu)建Lumen技術(shù)之旅。

軟件光線追蹤——高度場(chǎng)

當(dāng)前的硬件光線追蹤缺少?gòu)?qiáng)大的GPU算力支持。我們不知道硬件光線追蹤速度有多快，甚至不知道新一代控制臺(tái)是否支持它。

因此，軟件光線追蹤方法運(yùn)用而出。事實(shí)證明，它確實(shí)是一個(gè)非常好用的工具，可以用于縮放或支持有大量重疊實(shí)例的場(chǎng)景。

軟件光線追蹤提供了一種可能性，那便是可以使用各種各樣的追蹤結(jié)構(gòu)，比如三角形、距離場(chǎng)（distance fields）、面元（surfels），或者高度場(chǎng)（heightfields）。

在此，Krzysztof Narkowicz放棄了研究三角形，簡(jiǎn)要研究了面元，但是對(duì)于那些需要相當(dāng)高密度才能表示的幾何圖形，對(duì)其進(jìn)行更新或追蹤面元是相當(dāng)昂貴的。

經(jīng)過(guò)初步探索，高度場(chǎng)是最合適的，因其能夠很好地映射到硬件中，并提供表面表示和簡(jiǎn)單的連續(xù) LOD。

因?yàn)槲覀兛梢允褂盟械腜OM算法，比如最小-最大四叉樹(shù)，因此它的追蹤速度是非?？斓?。

此外，多個(gè)高度場(chǎng)可以表示復(fù)雜幾何，類(lèi)似于柵格化邊界卷層次結(jié)構(gòu)。

若將其視為面元的加速結(jié)構(gòu)也非常有趣，一個(gè)單獨(dú)的texel就是一個(gè)受限于常規(guī)網(wǎng)格的面元。

除了高度場(chǎng)，Lumen還有其他屬性，如反照率或照明，這樣就能夠計(jì)算出每次的照明。

在Lumen中，開(kāi)發(fā)者將這張帶有表面數(shù)據(jù)的完整貼花式投影命名為卡（Cards），即捕獲位置。

柵格化的三角形

Raymarched cards光線步進(jìn)卡（高度場(chǎng)）

對(duì)于場(chǎng)景中的每一張卡來(lái)說(shuō)，進(jìn)行光線步進(jìn)太慢。因此需要一種卡的加速結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)者選擇了一個(gè)4節(jié)點(diǎn)的BVH。它是為一個(gè)完整的場(chǎng)景構(gòu)建的，每一幀都在 CPU 上，并上傳到 GPU。

然后在追蹤著色器中，我們將進(jìn)行基于堆棧的遍歷，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序，以便首先遍歷最接近的節(jié)點(diǎn)。

BVH 調(diào)試視圖

捕獲位置

這里最棘手的部分是如何放置高度場(chǎng)，以便捕捉整個(gè)網(wǎng)格。Krzysztof Narkowicz稱(chēng)，「其中一個(gè)想法是基于GPU的全局距離場(chǎng)。每一幀我們都會(huì)追蹤一小組主射線來(lái)尋找沒(méi)有被卡覆蓋的射線。

接下來(lái)，對(duì)于每一個(gè)未發(fā)現(xiàn)的射線，我們將使用表面梯度遍歷全局距離場(chǎng)，以確定一個(gè)最佳的卡方向和范圍，從而產(chǎn)生一個(gè)新的卡。

全局距離場(chǎng)的捕獲位置

一方面，它被證實(shí)可以為整個(gè)合并場(chǎng)景生成卡，而不必為每個(gè)網(wǎng)格去生成卡。另一方面，事實(shí)證明它在實(shí)踐中相當(dāng)挑剔，因?yàn)槊看蜗鄼C(jī)移動(dòng)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。

另一個(gè)想法就是把每個(gè)網(wǎng)格的卡作為一個(gè)網(wǎng)格導(dǎo)入步驟。通過(guò)構(gòu)建幾何學(xué)的 BVH 來(lái)做到這一點(diǎn)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)將被轉(zhuǎn)換為 N 張卡。

如下：

柵格化的三角形

光線步進(jìn)卡(高場(chǎng))

卡位置視圖

這一方法在在尋找一個(gè)好的位置時(shí)遇到了問(wèn)題，因?yàn)锽VH節(jié)點(diǎn)并不是放置卡的好代理。

那么，研究人員又提出了另一個(gè)想法：遵循紫外線展開(kāi)技術(shù)，并嘗試聚類(lèi)表面元素。

因?yàn)橐幚頂?shù)百萬(wàn)個(gè)由Nanite提供的多邊形，因此他們將三角形換成面元。

同時(shí)，他們還切換到了一個(gè)較少的約束自由導(dǎo)向卡，以嘗試與表面匹配更好。

自由導(dǎo)向的卡位置

通過(guò)嘗試，這個(gè)方法對(duì)于簡(jiǎn)單的形狀非常有效，但是在在收斂到更復(fù)雜的形狀上就出現(xiàn)了問(wèn)題。

最后，Narkowicz又切換回軸對(duì)齊的卡片，但是這次是由面元集群和每個(gè)網(wǎng)格生成的。

錐形追蹤

追蹤高度場(chǎng)的獨(dú)特性質(zhì)還可以實(shí)現(xiàn)錐形追蹤。

錐形追蹤對(duì)于降低噪聲非常有效，因?yàn)橐粋€(gè)預(yù)先過(guò)濾的單個(gè)錐體跟蹤代表了數(shù)千條單獨(dú)的射線。

光線追蹤

錐形追蹤

對(duì)于每個(gè)卡，開(kāi)發(fā)者還存儲(chǔ)了一個(gè)完整的預(yù)過(guò)濾 mip-map鏈表面高度、照明和材料屬性。

在追蹤時(shí)，根據(jù)圓錐足跡選擇合適的步進(jìn)光線，并對(duì)其進(jìn)行射線追蹤。

無(wú)卡邊和帶卡邊的跟蹤

合并場(chǎng)景表示

在軟件中追蹤大量的非相干射線是非常慢的。理想情況下，可以使用單一的全局結(jié)構(gòu)，而非多個(gè)高度場(chǎng)。

當(dāng)錐形足跡越來(lái)越大時(shí)，實(shí)際上并不需要精確的場(chǎng)景表示，可以用更近似的表示替代，以獲得更快的速度。

一個(gè)更復(fù)雜的場(chǎng)景，有幾十張卡片來(lái)追蹤每個(gè)光線

第一個(gè)成功的方法是實(shí)現(xiàn)純體素圓錐跟蹤，整個(gè)場(chǎng)景在運(yùn)行時(shí)是體素化的，就像經(jīng)典的「Interactive Indirect Illumination Using Voxel Cone Tracing」一文中的那樣實(shí)現(xiàn)。

柵格化的三角形

光線步進(jìn)卡 (高度場(chǎng))

體素圓錐追蹤

光線步進(jìn)卡繼續(xù)與體素錐跟蹤

而這種方法的主要缺點(diǎn)是，由于場(chǎng)景幾何體的過(guò)度融合而導(dǎo)致泄漏，這種現(xiàn)象在跟蹤粗低映射時(shí)尤其明顯。

第一種降低圖像泄漏的技術(shù)是，對(duì)全局距離場(chǎng)進(jìn)行跟蹤，只在靠近表面的地方進(jìn)行體素采樣。在采樣過(guò)程中，隨著采樣范圍擴(kuò)大積累不透明度，停止追蹤時(shí)，不透明度將達(dá)到1。這樣總是在幾何體附近進(jìn)行精確采樣，實(shí)現(xiàn)降低圖形泄露的目的。

第二種技術(shù)是對(duì)網(wǎng)狀內(nèi)部進(jìn)行體素化。這大大減少了在較厚的壁處的泄露，不過(guò)這樣也會(huì)造成一些過(guò)度遮擋。

其他的實(shí)驗(yàn)包括跟蹤稀疏體素位塊和每面透明通道的體素。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的都是為了解決射線方向體素插值問(wèn)題，即對(duì)于不垂直于壁面的射線，軸對(duì)齊的實(shí)心壁將變得透明。

體素位磚是將每個(gè)體素存儲(chǔ)一個(gè)位在一個(gè)8x8x8的磚塊中，以指示給定的體素是否為空。然后使用兩級(jí) DDA 算法進(jìn)行光線步進(jìn)。具有透明面的體素相似，但 DDA相同，并且沿著光線方向透明度不斷上升。結(jié)果表明，這兩種方法在表示幾何體方面的效果都不如距離域，而且速度相當(dāng)慢。

帶有透明度的體素

最早的跟蹤合并表示的方法是，對(duì)全局距離字段和使用全局每個(gè)場(chǎng)景卡的著色命中進(jìn)行錐形跟蹤。即遍歷一個(gè) BVH，找出場(chǎng)景中的哪些卡影響采樣點(diǎn)，然后根據(jù)錐形足跡對(duì)每張卡的適度滑步水平進(jìn)行采樣。

本文放棄了這種方法，因?yàn)楫?dāng)初沒(méi)有考慮只用它來(lái)表示遠(yuǎn)場(chǎng)軌跡，而是把它看作是高場(chǎng)光線步進(jìn)的直接替代。有點(diǎn)諷刺的是，這種被拋棄的方法與我們兩年后最終達(dá)成的解決方案最為接近。

第一個(gè)演示

到這里，已經(jīng)可以產(chǎn)生一些相當(dāng)不錯(cuò)的結(jié)果了:

盡管如此，還是遇到了很多圖形泄漏的問(wèn)題，而且在這個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景中，即使在一個(gè)高端 PC GPU 上，性能也不是很理想。

為了解決泄漏問(wèn)題，以處理更多的實(shí)例、在PS5上以8毫秒以下時(shí)間完成處理。這個(gè)demo堪稱(chēng)是真正的催化劑。

與以往的方案相比，第一個(gè)變化也是最大的變化是，用距離場(chǎng)跟蹤取代高度場(chǎng)跟蹤。

為了遮蔽生命點(diǎn)，從卡片上插入生命點(diǎn)的光線，因?yàn)榫嚯x場(chǎng)沒(méi)有頂點(diǎn)屬性，這樣，未覆蓋的區(qū)域只會(huì)導(dǎo)致能源損失，而不是泄漏。

出于同樣的考慮，將體素錐形追蹤改為全局距離場(chǎng)射線追蹤。

與此同時(shí)，我們還做了很多不同的優(yōu)化，并通過(guò)緩存方案對(duì)Lumen的不同部分進(jìn)行了時(shí)間分流。值得注意的是，如果沒(méi)有錐體追蹤，我們必須更積極地去噪和緩存追蹤，但這又是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的故事。

這是我們發(fā)送第一個(gè)演示后的最終結(jié)果，在PS5上一直低于8ms，包括所有共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的更新，如全局距離字段。目前的性能表現(xiàn)甚至更好了，比如最新demo的完成時(shí)間接近4毫秒，質(zhì)量上也有明顯的改進(jìn)。

尾聲

總之，本文對(duì)整個(gè)Lumen進(jìn)行了全面重寫(xiě)，還有許多不同的想法沒(méi)有實(shí)施。另一方面，有些東西被重新利用。就像最初我們用卡片作為追蹤表示，但現(xiàn)在用來(lái)作為緩存網(wǎng)格表面的各種計(jì)算方式。和軟件追蹤類(lèi)似，開(kāi)始是我們主要的追蹤方法，主要是圓錐體追蹤，但最后成為一種縮小規(guī)模和支持具有大量重疊實(shí)例的、復(fù)雜重度場(chǎng)景的方法。