游戏中的实时光线追踪技术与技巧

提到游戏使用的实时渲染，很多人都会觉得光栅化渲染是唯一的方法，而想要在游戏中使用实时的光线追踪，似乎还是遥远的梦想。

虽然整体的光线追踪实时渲染架构以及相关硬件还在试验阶段，但从2016GDC的技术展示来看，游戏开发者在实践中已经找到了不少能利用现有架构实现光线追踪的小技巧，光线追踪技术已经悄悄地开始在游戏开发中发挥作用了。

光线追踪的优点自不用说，容易理解、实现简单、支持体积渲染，况且还有shadertoy上那么多使用光线追踪制作的眩目效果。但问题是光线追踪和现有的游戏引擎架构不统一，而且实时运行的效率不高，如果要做体积渲染还存在如何存储和采样体积数据的问题。

下面的内容会介绍一些在现有游戏引擎里针对这些问题解决方案。

减少计算量

首先光线追踪在实时运行时最大的问题是对PixelShader的压力太大，shadertoy中很多代码都在PixelShader中循环几十上百次，显然在真实开发中很难使用这样的代码。

这里介绍一种使用VertexShader进行光线追踪的思路，以制作实时溶球作为例子。

直接实现的思路是建立溶球的Distance Field，在PixelShader中从视点开始推进光线，循环直到Distance Field为0，达到溶球表面，然后计算反射折射等。这样的方法，在PixelShader中至少需要十几次循环才能trace到溶球表面。


改进思路是将光线追踪代码移到VertexShader中，在Mesh的每个顶点进行光线追踪计算，按照光线追踪的结果进行顶点变形。如图中，使用一个球形的Mesh做顶点变形，每个顶点的位置按照光线追踪的结果向内收缩，直到溶球表面。


如果选择合适的球形Mesh大小和位置，收缩的步骤可以小到三次以内。这个方法同时减少了光线追踪的循环次数，也减轻了PixelShader的压力。完全可以在移动平台上运行。


另一种减少计算量的方法就是Dithering，在独立游戏Inside中的体积光渲染就使用了这种的技术。

在我的另外一篇游戏开发相关实时渲染技术之体积光 <https://zhuanlan.zhihu.com/p/21425792>描述过高质量的体积光渲染应该使用光线追踪的方法。问题在于优质的体积渲染需要的循环次数可能会达到一百次以上，如果循环次数降低到一定程度会因为采样数不足，会造成条纹状瑕疵。

这里的改进思路是，在光线追踪的起点添加随机噪音，这样条纹状瑕疵会变成更加随机的噪点。之后再添加一层模糊或者是抗锯齿，这样整体的瑕疵感就会明显减少。


这种方法的缺点就是渲染的对象会显得比较模糊，不过用于体积光这种本身就不是很清晰的渲染对象倒是很适合。

体积贴图

光线追踪重要的应用之一就是体积渲染。shadertoy中的体积渲染大多是使用隐式参数方程和实时算法生成噪音来制造体积的Distance Field。这种方法对于不熟悉数学的人来说难度有点大，也不适合美术人员创作。所以体积渲染时最常用的还是用Houdini等软件生成体积贴图。

目前主流游戏引擎还没有全面支持3DTexture，所以我们要用体积切片的方法模拟3DTexture。Houdini和Blender都有方法渲染体积切片。渲染好的切片按照顺序组成一张平铺贴图。


在采样的时候，先确定采样点的所处z轴位置上下两张贴图，在uv位置采样两次，然后通过z轴lerp两个采样数据，就可以得到采样点的密度数据了。

引擎集成

将光线追踪的体积渲染集成到游戏引擎中会有两个问题。

第一是作为体积渲染的载体Mesh。片面Mesh肯定是不合适的，因为转一个角度可能就看不到了，应该选择闭合的Mesh。这个Mesh应该仿照天空球方法，法线向内，因为如果法线向外，进入Mesh内部就没办法显示了。

第二是和场景现有物体的遮挡问题。解决方案是获得场景的深度信息，做光线追踪的时候反过来从场景的深度位置向视点进行追踪，这样就能完美实现遮挡了。如果做正向光线追踪就需要在每次循环的时候检查一下深度信息，做无谓的消耗。


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