保時(shí)捷Speed of Light:實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤的又一進(jìn)步
在SIGGRAPH 2018大會(huì)上,我們看到了Unreal引擎實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤的又一次進(jìn)步。 Epic Games , 英偉達(dá) 和保時(shí)捷的聯(lián)合演示內(nèi)容為我們帶來(lái)了“Speed of Light”。這部實(shí)時(shí)影片以保時(shí)捷Speedster概念車(chē)作為主角,并通過(guò)光滑表面上的多個(gè)光源交互來(lái)演示了實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤技術(shù)的當(dāng)前發(fā)展。實(shí)時(shí)例子是英偉達(dá)主題演講的亮點(diǎn),他們重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了實(shí)時(shí)光線(xiàn)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(shí)演示了一種交互式體驗(yàn)。用戶(hù)可以通過(guò)這款體驗(yàn)來(lái)控制和編輯不同的照明配置,從而了解它們是如何實(shí)時(shí)影響汽車(chē)的外觀(guān)。
該項(xiàng)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?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目上取得了一系列的創(chuàng)新:一個(gè)完全光線(xiàn)追蹤的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景,帶有多陰影和紋理區(qū)域照明,真實(shí)區(qū)域照明采樣,光線(xiàn)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(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤全局照明?!?
“項(xiàng)目包括兩個(gè)組成部分,影片‘觀(guān)賞模式’和交互式照明工作室,兩者都采用完全相同的車(chē)輛asset和渲染功能集。實(shí)際上,影片是通過(guò)Unreal引擎的Sequencer來(lái)在交互式燈光工作室中進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝?!?
這個(gè)演示內(nèi)容以在GDC 2018大會(huì)通過(guò)“Reflections”所展示的進(jìn)步作為基礎(chǔ)。“Reflections”這個(gè)視頻故事包含來(lái)自“星球大戰(zhàn)”系列的三個(gè)高反射光線(xiàn)追蹤角色,并采用Unreal引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染?!癝peed of Light”則突出了自那時(shí)以來(lái)Unreal引擎在光線(xiàn)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(gè)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(diǎn)就證明了英偉達(dá)硬件正在提升實(shí)時(shí)光線(xiàn)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(shí),這個(gè)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(shuō)道:“當(dāng)我們第一次看到圖靈的光線(xiàn)追蹤功能集時(shí),我們立即想到了一個(gè)以汽車(chē)為核心的項(xiàng)目。因?yàn)槠?chē)全是關(guān)乎平滑,富有曲線(xiàn)的反射。”
他補(bǔ)充道:“我們談到了一種在視覺(jué)上呈現(xiàn)保時(shí)捷Speedster,以及RTX和圖靈為實(shí)時(shí)行業(yè)帶來(lái)的巨大照明保真度進(jìn)步的方法?!俣龋╯peed)’和‘光(light)’這兩個(gè)詞馬上出現(xiàn)在腦海中?!?
團(tuán)隊(duì)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(shuō):“影視可以無(wú)縫轉(zhuǎn)換到具有完全相同區(qū)域照明,汽車(chē)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?yàn)檫@是一個(gè)完全動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景,可以在第一代硬件上運(yùn)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(duì)開(kāi)始采用保時(shí)捷概念車(chē)的實(shí)際CATIA CAD制造文件,并通過(guò)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(wàn)個(gè)多邊形,所以團(tuán)隊(duì)有選擇性地將其細(xì)分為不到1000萬(wàn)個(gè)多邊形。后來(lái)證明這不是一個(gè)必要的步驟,因?yàn)槎噙呅螖?shù)降低四倍實(shí)際上對(duì)渲染性能的影響不大。安東尼指出:“事實(shí)證明,多邊形數(shù)量對(duì)NVIDIA RTX渲染性能的影響不如光柵化渲染那么嚴(yán)重,這對(duì)于大型數(shù)據(jù)集的可視化而言是一個(gè)真正的優(yōu)勢(shì)。相反,每個(gè)像素的光線(xiàn)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(lèi)繁多,將概念車(chē)的內(nèi)部和外部都充分展現(xiàn)出來(lái),并致力于令反光和半透明表面看起來(lái)盡可能準(zhǔn)確。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),團(tuán)隊(duì)利用了大量的實(shí)際參考資料,甚至拆卸了實(shí)際的保時(shí)捷汽車(chē)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(xiàn)相互作用。
這種方法在分析Speedster的尾燈時(shí)特別有用。安東尼指出:“這種新發(fā)現(xiàn)的見(jiàn)解,再加上光線(xiàn)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(duì)同時(shí)邀請(qǐng)了X-Rite的色彩管理專(zhuān)家掃描了數(shù)個(gè)保時(shí)捷材料樣品,如皮革和油漆樣品,并保存以專(zhuān)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(xiàn)貼圖,可用于汽車(chē)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(shí)證明,它有助于驗(yàn)證我們的材質(zhì)外觀(guān),并且為最終像素帶來(lái)直接的貢獻(xiàn)?!?
3. Speed of Light的實(shí)時(shí)渲染
在實(shí)時(shí)播放期間,演示內(nèi)容采用了光柵和光線(xiàn)追蹤技術(shù)。首先,計(jì)算柵格基礎(chǔ)通道,然后啟動(dòng)光線(xiàn)追蹤通道。Epic Games的首席光線(xiàn)追蹤程序員胡安·簡(jiǎn)拿達(dá)(Juan Canada)說(shuō)道:“通過(guò)這種方法,演示內(nèi)容可以計(jì)算出傳統(tǒng)光柵技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜效果。”
光線(xiàn)追蹤的工作原理是投射有限數(shù)量的光線(xiàn),并記錄由這些光線(xiàn)產(chǎn)生的光線(xiàn)/顏色樣本。如果單獨(dú)采用光線(xiàn)追蹤,你將需要大量光線(xiàn)和樣本才能實(shí)現(xiàn)照片級(jí)真實(shí)感,因此需要非常長(zhǎng)時(shí)間才能完成渲染。但是,如果為了減少渲染時(shí)間而采集過(guò)少的樣本,圖像看起來(lái)將會(huì)斑斑點(diǎn)點(diǎn)。
為了令光線(xiàn)和樣本數(shù)量保持最小,同時(shí)仍然能產(chǎn)生照片級(jí)真實(shí)感圖像,光線(xiàn)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(gè)模糊像素或平均像素的簡(jiǎn)單函數(shù),而是一個(gè)考慮了眾多因素的復(fù)雜算法。實(shí)際上,光線(xiàn)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(duì)于“Speed of Light”演示內(nèi)容,英偉達(dá)優(yōu)化了用于“Reflections”項(xiàng)目的降噪器。英偉達(dá)的實(shí)時(shí)渲染軟件高級(jí)經(jīng)理伊格納西奧·拉馬斯(Ignacio Llamas)說(shuō)道:“這種降噪器現(xiàn)在可以通過(guò)單個(gè)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(gè)樣品參考進(jìn)行匹配?!?
對(duì)于快速有效去噪的一個(gè)例子,你可以從光條紋反射在汽車(chē)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(jiǎn)單紋理來(lái)生成這樣的效果。在“Speed of Light”中,條紋是由帶有光線(xiàn)追蹤柔和陰影的動(dòng)畫(huà)紋理區(qū)域光源所生成。這模仿了在真實(shí)攝影工作室環(huán)境中產(chǎn)生亮條紋的方式,其中光線(xiàn)影響汽車(chē)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(xiàn)行為。
除了展示了實(shí)時(shí)渲染反射表面的提升之外,這個(gè)演示內(nèi)容同時(shí)代表了實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤半透明的巨大進(jìn)步。拉馬斯解釋說(shuō):“它的工作原理是追蹤來(lái)自camera的主光線(xiàn),選擇首先只與場(chǎng)景中的半透明幾何體相交,直到第一個(gè)不透明擊中,而這是通過(guò)光柵化GBuffer來(lái)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于沿著光線(xiàn)發(fā)現(xiàn)的每個(gè)半透明層,我們隨后將追蹤反射和陰影射線(xiàn)。這些反射射線(xiàn)本身可以擊中額外的半透明層,并且還會(huì)追蹤額外的陰影射線(xiàn)。”他繼續(xù)補(bǔ)充道,目前用于光線(xiàn)追蹤半透明的技術(shù)不包括去噪功能,但他們計(jì)劃將其添加至未來(lái)的光線(xiàn)追蹤半透明迭代。
屏幕空間光線(xiàn)追蹤動(dòng)態(tài)漫反射全局照明進(jìn)一步提升了汽車(chē)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(duì)于光線(xiàn)追蹤技術(shù)的所述進(jìn)步,其帶來(lái)的好處令“Speed of Light”演示內(nèi)容可以實(shí)時(shí)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?cè)贒GX Station所達(dá)到的水平。”
4. 技術(shù)的進(jìn)步
幾年前,實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤似乎是一項(xiàng)不可能實(shí)現(xiàn)的成就,但現(xiàn)在已經(jīng)觸手可及。隨著光線(xiàn)追蹤技術(shù)的不斷進(jìn)步,用戶(hù)的設(shè)置和使用將變得更加容易。不需要反射探針,光線(xiàn)烘焙或復(fù)雜的照明方法來(lái)偽造光柵渲染的真實(shí)感。照明和反射與物理特性分離,無(wú)需變通方法。
安東尼表示:“實(shí)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(lái)更合理。”
有幾個(gè)因素在推動(dòng)發(fā)展的過(guò)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(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像生成。
第二種是DXR技術(shù),以及一個(gè)提供了可以快速開(kāi)發(fā)光線(xiàn)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(duì)實(shí)時(shí)光線(xiàn)追蹤的未來(lái)感到十分興奮。Epic Games高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理肯·皮門(mén)特爾(Ken Pimentel)說(shuō)道:“這是一場(chǎng)能夠改變創(chuàng)建最高保真度圖像和體驗(yàn)成本的革命。你將無(wú)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(shí)為你帶來(lái)這兩點(diǎn)?!?
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