在任何視覺(jué)圖形的場(chǎng)景中，為了讓用戶獲得更真實(shí)的體驗(yàn)，陰影往往發(fā)揮著重要作用。不過(guò)，它們長(zhǎng)期以來(lái)一直是實(shí)時(shí)應(yīng)用程序中在速度和質(zhì)量方面最難完成的功能之一。隨著硬件的改進(jìn)和硬件加速光線追蹤技術(shù)的普及，開(kāi)發(fā)人員獲得了比以往任何時(shí)候都更準(zhǔn)確、更快地渲染陰影的能力。在Imagination，我們相信光線追蹤在未來(lái)實(shí)時(shí)渲染中的潛力，并一直在尋求可能的界限突破。這篇博文將簡(jiǎn)要介紹如何生成具有硬陰影的完全光線追蹤場(chǎng)景，以及Khronos Vulkan光線追蹤擴(kuò)展的高級(jí)概述。對(duì)于那些已經(jīng)閱讀了我們之前《Vulkan中的環(huán)境遮擋》的讀者來(lái)說(shuō)，這是很好的后續(xù)內(nèi)容，從完全通過(guò)光柵化的光照技術(shù)到現(xiàn)在使用完整的光線追蹤。正如《Vulkan中的環(huán)境遮擋》一樣，我們的PowerVR SDK中有一個(gè)完全光線追蹤硬陰影的代碼示例，您可以在空閑時(shí)間探索。

當(dāng)前的陰影技術(shù)

在過(guò)去十年中，實(shí)時(shí)渲染陰影的流行方法是使用陰影貼圖。這是場(chǎng)景從光源視角再次渲染到離屏深度緩沖區(qū)(稱為陰影貼圖)的地方，然后在著色過(guò)程中對(duì)陰影貼圖進(jìn)行采樣，以使用深度比較計(jì)算可見(jiàn)性。雖然這種方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于許多應(yīng)用中，但它也有一些缺點(diǎn)。

最常見(jiàn)的問(wèn)題是陰影鋸齒——這是在陰影貼圖的分辨率過(guò)低的地方，導(dǎo)致出現(xiàn)塊狀陰影。雖然可以通過(guò)使用更高分辨率的陰影貼圖來(lái)解決，但會(huì)增加內(nèi)存占用和帶寬利用率，可能會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是在移動(dòng)設(shè)備上。即使使用更高分辨率的陰影貼圖，某些微觀細(xì)節(jié)也很難保留，這要后續(xù)的屏幕空間陰影通道來(lái)細(xì)化。但是，在使用光線追蹤時(shí)，可以在屏幕上為每個(gè)像素分配一條光線，這將產(chǎn)生像素完美的硬陰影。

光線追蹤管線

光線生成

當(dāng)在命令緩沖區(qū)調(diào)用 vkCmdTraceRaysKHR ，將為當(dāng)前綁定的光線追蹤流水線調(diào)用用戶定義的光線生成著色器。追蹤光線的命令允許開(kāi)發(fā)人員為調(diào)度的線程設(shè)置各種參數(shù)。我們的演示是完全光線追蹤的，這意味著最好為屏幕上的每個(gè)像素分配一個(gè)光線生成著色器線程。

每次調(diào)用光線生成著色器都必須指定將主光線發(fā)射到場(chǎng)景中所需的變量。光線需要有原點(diǎn)(視點(diǎn))和行進(jìn)方向?？梢酝ㄟ^(guò)將逆視圖矩陣應(yīng)用于(0,0,0,1)來(lái)計(jì)算原點(diǎn)。要計(jì)算方向，需要當(dāng)前像素的屏幕空間位置?？梢允褂?gl_LaunchIDEXT 從光線生成著色器查詢分派坐標(biāo)。使用此內(nèi)置擴(kuò)展，屏幕空間坐標(biāo)和光線方向可以按如下方式計(jì)算：

const vec2 pixelCenter = vec2(gl_LaunchIDEXT.xy) + vec2(0.5);const vec2 inUV = pixelCenter / vec2(gl_LaunchSizeEXT.xy);vec2 screenspace = inUV * 2.0 - 1.0;
vec4 target = mInvProjectionMatrix * vec4(screenspace.xy, 1, 1);vec4 direction = mInvViewMatrix * vec4(normalize(target.xyz), 0);

從這里，我們可以使用 traceRayEXT 函數(shù)將主光線發(fā)射到場(chǎng)景中。然后，它將遍歷加速結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，它將命中或錯(cuò)過(guò)場(chǎng)景中的幾何體，并調(diào)用相應(yīng)著色器組。執(zhí)行的著色器組將取決于其命中內(nèi)容，并將像素顏色存儲(chǔ)在有效負(fù)載結(jié)構(gòu)中。“未命中”著色器只是將光線的顏色設(shè)置為硬編碼的清除顏色。

命中組著色器

一旦光線與場(chǎng)景中的對(duì)象發(fā)生碰撞，就會(huì)執(zhí)行命中著色器。頂點(diǎn)緩沖區(qū)、索引緩沖區(qū)和材質(zhì)等模型數(shù)據(jù)都附著到“命中組”著色器。光線追蹤擴(kuò)展允許我們獲取命中對(duì)象的實(shí)例ID。在本演示中，每個(gè)模型都是唯一的，因此實(shí)例ID直接對(duì)應(yīng)于模型ID。模型ID可用于查找上述緩沖區(qū)。

// Since each object is unique in this scene, instance ID is enough to identify which buffers to look upuint objID = gl_InstanceID;
// indices of the triangle we hitivec3 ind = ivec3(indices[nonuniformEXT(objID)].i[3 * gl_PrimitiveID + 0], //    indices[nonuniformEXT(objID)].i[3 * gl_PrimitiveID + 1], //    indices[nonuniformEXT(objID)].i[3 * gl_PrimitiveID + 2]); //
// Vertices of the hit triangleVertex v0 = vertices[nonuniformEXT(objID)].v[ind.x];Vertex v1 = vertices[nonuniformEXT(objID)].v[ind.y];Vertex v2 = vertices[nonuniformEXT(objID)].v[ind.z];

gl_PrimitiveID可以用來(lái)告訴我們使用哪些索引來(lái)查找命中的頂點(diǎn)，然后使用重心插值系數(shù)在它們之間進(jìn)行插值，該插值系數(shù)來(lái)自命中著色器中聲明為hitAttributeEXT類(lèi)型的全局變量。然后，我們使用世界矩陣將插值頂點(diǎn)值轉(zhuǎn)換到世界空間，并旋轉(zhuǎn)法線值。

// Get the interpolation coefficientsconst vec3 barycentrics = vec3(1.0 - attribs.x - attribs.y, attribs.x, attribs.y); // Interpolate the position and normal vector for this rayvec4 modelNormal = vec4(v0.nrm * barycentrics.x + v1.nrm * barycentrics.y + v2.nrm * barycentrics.z, 1.0);vec4 modelPos = vec4(v0.pos * barycentrics.x + v1.pos * barycentrics.y + v2.pos * barycentrics.z, 1.0); // Transform the position and normal vectors from model space to world spacemat4 worldTransform = transforms[nonuniformEXT(objID)];vec3 worldPos = (worldTransform * modelPos).xyz; // Don't translate the normal vector, only rotate and scalemat3 worldRotate = mat3(worldTransform[0].xyz, worldTransform[1].xyz, worldTransform[2].xyz);vec3 worldNormal = worldRotate * modelNormal.xyz;

使用擊中點(diǎn)的法線和世界位置，我們可以計(jì)算光線相對(duì)于場(chǎng)景中靜態(tài)光源的Phong照明分量。然后，我們使用一個(gè)新的命中和未命中組從該點(diǎn)向光源發(fā)射另一條光線。我們可以將次光線的最大長(zhǎng)度設(shè)置為擊中點(diǎn)和光源之間的距離。如果光線在這個(gè)距離內(nèi)與加速度結(jié)構(gòu)中的任何物體碰撞，我們可以得出結(jié)論，在碰撞點(diǎn)和光源之間有一個(gè)物體，因此該點(diǎn)處于陰影中。如果次光線未擊中距離集內(nèi)的任何對(duì)象，則會(huì)執(zhí)行“未命中”著色器，我們可以假定該點(diǎn)不在陰影中。

在這個(gè)圖中，我們可以看到兩個(gè)例子。光線從視口(1)發(fā)射，第一條光線擊中點(diǎn)3，第二條光線發(fā)射，在到達(dá)光源的途中不會(huì)擊中任何幾何體。視點(diǎn)的第二條光線在點(diǎn)4處照射，但在到達(dá)光源的過(guò)程中，在點(diǎn)5處再次發(fā)生碰撞。因此，我們可以得出結(jié)論，點(diǎn)4在陰影中，但點(diǎn)3不在陰影中。

優(yōu)化

雖然光線追蹤陰影提供了比傳統(tǒng)方法更高的逼真度，但它們?nèi)匀徊煌耆昝?。因此，就?shí)時(shí)計(jì)算而言，光線追蹤算法需要更多的硬件，這是一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。除此之外，還可以采取一些不同的優(yōu)化措施來(lái)改進(jìn)本文概述的技術(shù)。

陰影檢查

我們可以減少第一組用來(lái)檢查硬陰影的二次光線的數(shù)量;這是通過(guò)首先檢查已計(jì)算的Phong光照分量來(lái)完成的。如果由于曲面背向光源，光照分量已為0，則檢查硬陰影沒(méi)有意義，因?yàn)樵擖c(diǎn)已處于黑暗中。

這將光線預(yù)算從屏幕上像素?cái)?shù)的大約1.8倍減少到大約1.5倍。這顯然取決于場(chǎng)景和其中的對(duì)象，因?yàn)樗S未命中場(chǎng)景的主光線的比例以及通過(guò)或未通過(guò)陰影檢查的主光線的比例而變化。

混合渲染一般來(lái)說(shuō)，光線追蹤核心將比傳統(tǒng)的光柵化流水線慢(至少目前是這樣)。有幾個(gè)可能的原因，但主要的原因是光線追蹤硬件仍然相對(duì)較新，因此與光柵化相比，GPU仍然沒(méi)有為其投入更多的空間。這意味著可以計(jì)算一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的G緩沖區(qū)，并使用位置附件來(lái)定位從哪個(gè)位置發(fā)射陰影檢查光線。G緩沖區(qū)在《Vulkan中的環(huán)境遮擋》中有介紹，所以如果你還沒(méi)有看到，一定要看一看。簡(jiǎn)而言之，G緩沖區(qū)可以替代主光線，從而產(chǎn)生更好的任務(wù)重疊和更小的光線預(yù)算。

結(jié)束

雖然完全光線追蹤的硬陰影在寫(xiě)這篇博文的時(shí)候可能不是最佳解決方案，但它們?nèi)匀惶峁┝藗鹘y(tǒng)流水線難以模擬的細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確性。一如既往，我們強(qiáng)烈建議大家看看PowerVR SDK及其代碼示例，以了解我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)這些技術(shù)和實(shí)現(xiàn)這些算法的確切機(jī)制。我們也總是通過(guò)支持門(mén)戶或論壇發(fā)送電子郵件。

如果您有興趣了解更多關(guān)于各種圖形技術(shù)的信息，請(qǐng)查看我們的文檔網(wǎng)站，或者在SDK Github中探索我們的其他代碼示例。

原文標(biāo)題：Vulkan完全光線追蹤硬陰影

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審核編輯：湯梓紅