图形学笔记 -- OpenGL 图形学 / 光线追踪（图）

Posted on January 11, 2021 (珠海)
图形学 OpenGL

什么是光线追踪？看看你周围，那些被光束照亮的物体。从目光后方的光束，到光与之交互的物体的路径，就是光线追踪。

EA 的 3A 引擎 Frostbite，支持光线追踪。 Unity 和 Unreal 等主流商业引擎后来也陆续支持微软 DirectX Raytracing。实时光线追踪技术元年：2018 年。

被这两个文章深深的吸引了。https://yangwc.com/

《赛博朋克 2077》技术和渲染分析

NetFly 童鞋游戏蛮牛 2020-12-31

1980 年 Turner Whitted 发表了论文提出了最经典的光线追踪渲染方法。可以看到，眼睛射出的光线，经过了两次折射一共获得了模型中三个点的光影信息，或许它还可以获取更多，但实际上这已经比光栅渲染真实很多了。这可不是什么时间反演，其实主要是基于物理学中，光路可逆的规律，与其计算全局的光路图，不如只计算我所希望看到的那一部分像素颜色。

为了更能够接近真实的物理世界，尤其是釉面反射。1984 年的 Cook 提出随机理论，也就是分散式光线追踪（Distribution Ray Tracing）。釉面物体上的反射光强和方向将被分散成多条光线，那么该点的颜色也会受到多个方向的物体影响。如图，像素采集点反射后有三条光线，只有三分之二可以到达该场景的光源，所以该点的亮度会比完全暴露在光源下的部分暗三分之一左右，虽然不够精确，但这同样也是比较符合实际物理世界规律的。

图形渲染的目标和物理世界殊途同归 —— 简化，统一所有的理论便是又一次的本质飞跃。 1986 年 Kajiya 提出的渲染方程，把表面自发光、入射光、材质散射函数和几何项统一到同一个积分框架中。

我们眼睛在一个模型上所看到的颜色，受到四个方面的影响，分别是模型自身发光、模型受到光照的情况、模型的材质（即反射能力）和模型的朝向。可以看到和模型与接收光作用的这一项包括了后三者，并将这三者的影响进行球面上的积分，从而综合得到了整个空间的光线对这个模型颜色的影响。这就是我们今天提到的光线追踪的核心了。

光线追踪纵览

光线追踪算法是一种非常自然的技术，相比于光栅化的方法，它更加简单、暴力、真实。与光栅化根据物体计算所在的像素的方式不同，光线路径追踪的方法是一个相反的过程，它在于用眼睛去看世界而不是世界如何到达眼中。如下图所示，从视点出发向屏幕上每一个像素发出一条光线 View Ray，追踪此光路并计算其逆向光线的方向，映射到对应的像素上。通过计算光路上颜色衰减和叠加，即可基本确定每一个像素的颜色。

光线追踪示意图

实时光线追踪技术：业界发展近况与未来挑战

赛博朋克 2077

实时光线追踪与离线光线追踪的区别

所谓的实时光线追踪，就是随着摄像机视角的变动，后端需要实时发射追踪光线来重新计算光照信息，如果屏幕分别率很高，这个计算量是很大的，对 GPU 的性能要求是很高的，如果性能达不到就会严重掉帧。而离线光线追踪不受实时帧率约束，可以用更高采样率和更多反弹次数来换取质量；在游戏生产管线里，它常被用于烘焙 Lightmap，影视离线渲染则可以直接生成最终画面。所以当时游戏里更多是把光线追踪用于反射、阴影、AO 或全局光照的某些环节，并结合降噪和传统光栅化管线使用。NVIDIA Turing 架构引入硬件光追后，实时光线追踪开始进入游戏渲染流程，但距离所有场景全面依赖光追仍有距离。

光线追踪全局光照方案的渲染管线

关于光线追踪的基本原理，简单来说就是向场景发射 N 条光线，然后根据碰撞点的材质进行 BXDF，BRDF 的运算，然后（根据俄罗斯轮盘）再进行漫反射，镜面反射，或者折射，如此循环直到光线逃离场景或者到达最大反射次数，最后对 N 条光线进行蒙特卡洛积分即可获得结果。对于实时光线追踪和离线光线追踪，这里发射光线的方式还是有些差异的：实时光线追踪是从视点发射光线，光线数量一般是屏幕的大小，比如屏幕是 1920*1080，则需要发射 1920*1080 条射线，每条射线对应一个像素点，依照需求，可能要发射多次来采样平均得到理想的结果；而对于离线光线追踪，每个静态物体都要根据光照 UV 生成 M 个 Patch（数量和 Lightmap 大小有关），每个 Patch 要向法线方向的半球发射 N 条射线（数量由用户采样数量决定），最终对 N 条射线进行蒙特卡洛积分，得到这个物体的 Lightmap。

Vulkan-光线追踪（计算着色器实现）

from

游戏画质设置教程

环境光遮蔽：通过使用颜色更深的阴影来增加物体的立体感。
体积质量（体积云、体积雾、体积光等），通过光影来提高云朵、雾气、光线等的立体感。
LOD 细节层次（也叫细节层次、视野距离）：游戏中，距离玩家较远的模型会被低分辨率渲染，而视野距离的等级就是这个“不会被低分辨率渲染”的范围，设置等级越高，“不会被低分辨率渲染”的范围就越高。
曲面细分：用于给顶配置显卡锦上添花的设置选项。
抗锯齿。视频中提到了 DLSS，MFAA 和 MSAA，TAA，FXAA，SMAA。
- DLSS，深度学习超采样，现如今最好的抗锯齿技术，不仅抗锯齿还能增加帧数，是 N 卡的黑科技，深度学习。
- MSAA，一种老久的抗锯齿技术。
- MFAA，是 N 卡对 MSAA 做出的一个优化，在 N 卡面板设置中开启 MFAA 后，在游戏中开启 MSAA 会对帧率有很大的改善。
- TAA，近十年来比较流行的一种抗锯齿技术，抗锯齿效果非常不错，效果比 MSAA、FXAA、SMAA 都好，唯一的缺点是让画面变模糊。
- FXAA，一种已经被淘汰的技术，抗锯齿效果并不好的同时会让画面变模糊，可以说 TAA 完全吊打 FXAA 吧。
- SMAA，抗锯齿效果高于 FXAA，低于 TAA。缺点是无法解决远处模型的锯齿，比如远处的树木仍会闪烁。

Refs

参考资料快照

本文短链接：
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