七步了解光线追踪

来源:丽台科技 发布时间:2020-09-23 14:26:23 阅读量:32

什么是光线追踪?

光线追踪可以做什么?

光线追踪与光栅化渲染有何区别?

……


随着光线追踪成为产品设计、建筑、游戏、特效和科学可视化领域的全新行业标准,“光线追踪”其实离我们很近:


从科幻电影中的星际战斗机、动作电影中飙车画面,到游戏中战争场景的硝烟弥漫、江湖画面的墨色丹青,这些场景真实感的表现都离不开光线追踪。


但是这项技术你又了解多少?


NVIDIA工程师Eric Haines将通过7个简短的视频,讲解光线追踪领域的各种术语和概念,并希望通过精彩的技术用例使为开发者带来启发




1
光线追踪基础知识


视频1链接地址:

http://mpvideo.qpic.cn/0bf2keaqqaabzaamgobno5pvcuodbbiqccaa.f10002.mp4?dis_k=9bee0acbc66b4d792327ed550cfa543a&dis_t=1600830858&vid=wxv_1462620141627523074%22


在《基本介绍(1):光线追踪基础知识》中,Haines为大家介绍了光线和路径追踪的基础内容。


首先,他定义了光线,并指出了光线针对计算机图形学中不同操作的用处。例如,可以投射光线以测试阴影。


Haines解释说:“1980年,Whitted引入了递归光线投射的概念,即光线追踪。Cook等人于1984年探索了分布式光线如何产生更精致的效果,例如柔和的阴影和光泽的反射。Kajiya于1986年推出了渲染方程,展示了如何通过路径追踪来解决问题。整个光线追踪领域都采用了极为简单的原始光线,并探索了如何最有效利用光线追踪创建栩栩如生的图像。”




2
光栅化与光线追踪


视频2链接地址:

http://mpvideo.qpic.cn/0bf25qaa4aaa7uaoztjmrfpvb3gdb3waadqa.f10002.mp4?dis_k=983fa8922dbab1436c9a7244ea585889&dis_t=1600830857&vid=wxv_1462716646371770370


几十年来,光栅化(也称为Z缓冲区)一直是交互式渲染3D图像的首选方法。


第二步的视频将光栅化与光线追踪进行对比,从而展示该操作所具有一定的对称性。每种算法都各具优缺点,尽管有时我们对这些差别有所误解。


尽管将二者进行了对比,但光栅化和光线追踪其实是相辅相成的两种方式,且常常被搭配使用以实时获得高质量的渲染结果。



3
光线追踪硬件


视频3链接地址:

http://mpvideo.qpic.cn/0bf2t4abiaaa6yapnhzmsjpvbh6dcspqafaa.f10002.mp4?dis_k=23ef596d0b3253ac32e89363228ae498&dis_t=1600830857&vid=wxv_1462718127279849473


光线追踪需要高度平行化。1987年,AT&T Pixel Machine首次实践了通过专业硬件加速光线追踪的想法,而这个想法已经存在了数十年。


随着科技不断进步,当今最低端的手机也比当时体积庞大的机器功能更强大。但是,摩尔定律CPU发展一直在放缓,因此更多针对特定领域的解决方案开始崭露头角。


NVIDIA Turing架构能够加速层次包围盒以及神经网络评估,这使实时光线追踪能够应用于更加复杂的场景。



4
光线追踪流程


视频4链接地址:

http://mpvideo.qpic.cn/0b78amaaaaaa4yaoitrmbnpvaa6daabqaaaa.f10002.mp4?dis_k=0d2b9f1f85060c5c3c59834d5746df3a&dis_t=1600830858&vid=wxv_1462728806246268928


光栅化利用并行原理进行工作。在工作时,需要首先输入一个三角形,然后进行顶点着色和像素着色。


DirectX 12 DXR、Vulkan或OptiX中的交互式光线追踪流程如下:首先发射一束光线遍历整个场景,然后对其进行着色并以像素样本结束,我们也可以通过发射更多光线衍生出更多可能性。


新增的5款着色器可用于光线生成、自定义图元相交以及控制单束光线行为。


快速光线追踪还可用于加速烘焙以及生成逼真图像等。



5
光线追踪效果


视频5链接地址:

http://mpvideo.qpic.cn/0bf2h4ak4aaalaaexjzmfzpvap6dvy7qblqa.f10002.mp4?dis_k=ddd7780de80bbda331fddec333375149&dis_t=1600830858&vid=wxv_1462730980237918208 
 

由于光线追踪能够形象地模拟光线在每个场景中的传播方式,因此可以用来实现各种效果。


传统光线追踪只能实现尖锐的硬阴影,随机光线追踪则可以实现柔和的光线,且路径追踪会产生一系列全局照明效果。环境光遮挡也可以通过光线投射进行计算。


除此之外,景深和动态模糊等电影级效果也可以通过光线变换来实现。


当光线穿过透明介质(例如玻璃或水)发生折射时,可能会产生大气效应和焦散。



6
渲染方程


视频6链接地址:

http://mpvideo.qpic.cn/0b78biaaaaaaiuaon7zma5pvacwdaafaaaaa.f10002.mp4?dis_k=55fd112a5f0e9fd40d59b3e58fb1505d&dis_t=1600830858&vid=wxv_1462734863442001920


可以说,在计算机图形学中最重要的方程就是渲染方程了,您可以借助渲染方程来思考照明效果。在本期视频中,我们将带大家了解渲染方程及其相关术语。


纯粹追踪最终实现的效果都很好,但“最终”这个词所代表的意义不仅是结果。借助更好的采样策略,在最合适的位置发射光线可以大大缩短渲染时间。这样一来,我们甚至可以将路径追踪用于诸如《雷神之锤 II》(Quake II)之类的交互式游戏上。




7
光线追踪降噪


视频7链接地址:

http://mpvideo.qpic.cn/0b78cmaaaaaa5eaorhrmajpvae6daajqaaaa.f10002.mp4?dis_k=bea9e3ed6fca2296445cb7f849e91516&dis_t=1600830858&vid=wxv_1462746324864221185


降噪过程是通过交互式光线追踪制作高质量图像的关键。使用路径追踪(最终)将会解决噪声(黑色像素)多的问题,但是其中仍存在收益递减规律。


为了保持性能交互性,我们可以通过各种降噪技术来消除拍摄光线间的较大差异。通常被采用的两种主要的降噪方法是人为控制算法和通过训练神经网络创建的算法。


降噪让我们一秒钟内就能够完成可用图像。




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