在SIGGRAPH 2018大會上，我們看到了Unreal引擎實時光線追蹤的又一次進(jìn)步。 Epic Games ， 英偉達(dá) 和保時捷的聯(lián)合演示內(nèi)容為我們帶來了“Speed of Light”。這部實時影片以保時捷Speedster概念車作為主角，并通過光滑表面上的多個光源交互來演示了實時光線追蹤技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展。實時例子是英偉達(dá)主題演講的亮點，他們重點強調(diào)了實時光線追蹤的可能性。

主題演講不僅只是展示了一部影片，他們同時演示了一種交互式體驗。用戶可以通過這款體驗來控制和編輯不同的照明配置，從而了解它們是如何實時影響汽車的外觀。

該項目的VFX主管，Epic Games嵌入式系統(tǒng)負(fù)責(zé)人弗朗斯瓦·安東尼（Fran?ois Antoine）表示：“我們在這個項目上取得了一系列的創(chuàng)新：一個完全光線追蹤的動態(tài)場景，帶有多陰影和紋理區(qū)域照明，真實區(qū)域照明采樣，光線追蹤的半透明和透明涂層著色模型，反射陰影去噪，以及屏幕空間實時光線追蹤全局照明?！?

“項目包括兩個組成部分，影片‘觀賞模式’和交互式照明工作室，兩者都采用完全相同的車輛asset和渲染功能集。實際上，影片是通過Unreal引擎的Sequencer來在交互式燈光工作室中進(jìn)行實時拍攝。”

這個演示內(nèi)容以在GDC 2018大會通過“Reflections”所展示的進(jìn)步作為基礎(chǔ)?！癛eflections”這個視頻故事包含來自“星球大戰(zhàn)”系列的三個高反射光線追蹤角色，并采用Unreal引擎進(jìn)行實時渲染?！癝peed of Light”則突出了自那時以來Unreal引擎在光線追蹤性能和速度方面所取得的進(jìn)步。

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除了使用了比“Reflections”更全面的RTX功能集外，這個演示內(nèi)容僅需要兩枚NVIDIA Quadro RTX，與“Reflections”演示內(nèi)容所需的四枚Volta GPU不同。僅這一點就證明了英偉達(dá)硬件正在提升實時光線追蹤的速度。

1. 演示內(nèi)容

當(dāng)安東尼與首席技術(shù)官吉姆·利布雷里（Kim Libreri）討論Unreal引擎將如何充分利用NVIDIA Quadro RTX提供的功能時，這個演示內(nèi)容的靈感就自然而然地浮現(xiàn)于他們腦海之中。安東尼說道：“當(dāng)我們第一次看到圖靈的光線追蹤功能集時，我們立即想到了一個以汽車為核心的項目。因為汽車全是關(guān)乎平滑，富有曲線的反射?！?

他補充道：“我們談到了一種在視覺上呈現(xiàn)保時捷Speedster，以及RTX和圖靈為實時行業(yè)帶來的巨大照明保真度進(jìn)步的方法?！俣龋╯peed）’和‘光（light）’這兩個詞馬上出現(xiàn)在腦海中?！?

團(tuán)隊齊聚SIGGRAPH 2018，并展示了關(guān)于影視和交互作品背后的創(chuàng)新技術(shù)，其中包括“Speed of Light”演示內(nèi)容。安東尼解釋說：“影視可以無縫轉(zhuǎn)換到具有完全相同區(qū)域照明，汽車asset和多邊形數(shù)量的交互式作品中。影片和照明工作室的保真度令人印象深刻，因為這是一個完全動態(tài)的場景，可以在第一代硬件上運行?！?

2. 整合在一起

創(chuàng)建演示內(nèi)容不僅需要出色的硬件。團(tuán)隊開始采用保時捷概念車的實際CATIA CAD制造文件，并通過導(dǎo)入套件Datasmith將其帶到Unreal引擎。

最初的導(dǎo)入產(chǎn)生了4000萬個多邊形，所以團(tuán)隊有選擇性地將其細(xì)分為不到1000萬個多邊形。后來證明這不是一個必要的步驟，因為多邊形數(shù)降低四倍實際上對渲染性能的影響不大。安東尼指出：“事實證明，多邊形數(shù)量對NVIDIA RTX渲染性能的影響不如光柵化渲染那么嚴(yán)重，這對于大型數(shù)據(jù)集的可視化而言是一個真正的優(yōu)勢。相反，每個像素的光線投射數(shù)量是衡量性能影響的更好方法?！?

演示內(nèi)容中的材質(zhì)種類繁多，將概念車的內(nèi)部和外部都充分展現(xiàn)出來，并致力于令反光和半透明表面看起來盡可能準(zhǔn)確。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊利用了大量的實際參考資料，甚至拆卸了實際的保時捷汽車零件，以便更好地了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及它們是如何與光線相互作用。

這種方法在分析Speedster的尾燈時特別有用。安東尼指出：“這種新發(fā)現(xiàn)的見解，再加上光線追蹤的物理精確行為，使得我們能夠獲得比以往更加逼真的尾燈?！?

另外，團(tuán)隊同時邀請了X-Rite的色彩管理專家掃描了數(shù)個保時捷材料樣品，如皮革和油漆樣品，并保存以專有的AxF格式（Unreal Studio最近已經(jīng)支持）。這產(chǎn)生了高分辨率的紋理和法線貼圖，可用于汽車油漆的透明涂層，純白色涂料和皮革座椅紋理。

安東尼表示：“盡管這是我們第一次嘗試使用AxF，但事實證明，它有助于驗證我們的材質(zhì)外觀，并且為最終像素帶來直接的貢獻(xiàn)?！?

3. Speed of Light的實時渲染

在實時播放期間，演示內(nèi)容采用了光柵和光線追蹤技術(shù)。首先，計算柵格基礎(chǔ)通道，然后啟動光線追蹤通道。Epic Games的首席光線追蹤程序員胡安·簡拿達(dá)（Juan Canada）說道：“通過這種方法，演示內(nèi)容可以計算出傳統(tǒng)光柵技術(shù)難以實現(xiàn)的復(fù)雜效果。”

光線追蹤的工作原理是投射有限數(shù)量的光線，并記錄由這些光線產(chǎn)生的光線/顏色樣本。如果單獨采用光線追蹤，你將需要大量光線和樣本才能實現(xiàn)照片級真實感，因此需要非常長時間才能完成渲染。但是，如果為了減少渲染時間而采集過少的樣本，圖像看起來將會斑斑點點。

為了令光線和樣本數(shù)量保持最小，同時仍然能產(chǎn)生照片級真實感圖像，光線追蹤技術(shù)使用了去噪處理，一種減少相鄰像素顏色之間差異的方法。降噪器不僅僅是一個模糊像素或平均像素的簡單函數(shù)，而是一個考慮了眾多因素的復(fù)雜算法。實際上，光線追蹤器的降噪器質(zhì)量可以決定渲染器在速度 vs 質(zhì)量方面的有效性。

對于“Speed of Light”演示內(nèi)容，英偉達(dá)優(yōu)化了用于“Reflections”項目的降噪器。英偉達(dá)的實時渲染軟件高級經(jīng)理伊格納西奧·拉馬斯（Ignacio Llamas）說道：“這種降噪器現(xiàn)在可以通過單個樣品處理包含光澤度和粗糙度的材質(zhì)，通常是與數(shù)百或數(shù)千個樣品參考進(jìn)行匹配。”

對于快速有效去噪的一個例子，你可以從光條紋反射在汽車上的方式進(jìn)行感受。傳統(tǒng)而言，RTX渲染將利用平面上的簡單紋理來生成這樣的效果。在“Speed of Light”中，條紋是由帶有光線追蹤柔和陰影的動畫紋理區(qū)域光源所生成。這模仿了在真實攝影工作室環(huán)境中產(chǎn)生亮條紋的方式，其中光線影響汽車材質(zhì)的漫反射和鏡面反射分量，從而創(chuàng)造出更加逼真的光線行為。

除了展示了實時渲染反射表面的提升之外，這個演示內(nèi)容同時代表了實時光線追蹤半透明的巨大進(jìn)步。拉馬斯解釋說：“它的工作原理是追蹤來自camera的主光線，選擇首先只與場景中的半透明幾何體相交，直到第一個不透明擊中，而這是通過光柵化GBuffer來進(jìn)行計算。對于沿著光線發(fā)現(xiàn)的每個半透明層，我們隨后將追蹤反射和陰影射線。這些反射射線本身可以擊中額外的半透明層，并且還會追蹤額外的陰影射線?！彼^續(xù)補充道，目前用于光線追蹤半透明的技術(shù)不包括去噪功能，但他們計劃將其添加至未來的光線追蹤半透明迭代。

屏幕空間光線追蹤動態(tài)漫反射全局照明進(jìn)一步提升了汽車照明效率，現(xiàn)在比以前只需要更少的照明，而且它們能夠?qū)崿F(xiàn)比以前更加微妙的行為。

對于光線追蹤技術(shù)的所述進(jìn)步，其帶來的好處令“Speed of Light”演示內(nèi)容可以實時播放。拉馬斯指出：“在Quadro RTX 6000上播放的影片平均幀率大約為35-40 FPS，1080P，高于我們在DGX Station所達(dá)到的水平?！?

4. 技術(shù)的進(jìn)步

幾年前，實時光線追蹤似乎是一項不可能實現(xiàn)的成就，但現(xiàn)在已經(jīng)觸手可及。隨著光線追蹤技術(shù)的不斷進(jìn)步，用戶的設(shè)置和使用將變得更加容易。不需要反射探針，光線烘焙或復(fù)雜的照明方法來偽造光柵渲染的真實感。照明和反射與物理特性分離，無需變通方法。

安東尼表示：“實際的創(chuàng)新技術(shù)比你注意到的還要多，而這是一件好事。技術(shù)不應(yīng)引起你的注意，它應(yīng)該是令圖像看起來更合理?！?

有幾個因素在推動發(fā)展的過程中發(fā)揮了作用。首先，英偉達(dá)的顯卡能夠以一定的速度追蹤光線，從而實現(xiàn)高質(zhì)量的圖像生成。

第二種是DXR技術(shù)，以及一個提供了可以快速開發(fā)光線追蹤架構(gòu)環(huán)境的API。另外，去噪技術(shù)的進(jìn)步同樣發(fā)揮了作用。

Epic Games對實時光線追蹤的未來感到十分興奮。Epic Games高級產(chǎn)品經(jīng)理肯·皮門特爾（Ken Pimentel）說道：“這是一場能夠改變創(chuàng)建最高保真度圖像和體驗成本的革命。你將無需在物理準(zhǔn)確和難以置信圖形之間進(jìn)行選擇，Unreal引擎可以同時為你帶來這兩點?！?

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