保時(shí)捷Speed of Light：實(shí)時(shí)光線追蹤的又一進(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)影響汽車的外觀。

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)光線追蹤全局照明?！?

“項(xiàng)目包括兩個(gè)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(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)高反射光線追蹤角色，并采用Unreal引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染。“Speed of Light”則突出了自那時(shí)以來(lái)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(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追蹤功能集時(shí)，我們立即想到了一個(gè)以汽車為核心的項(xiàng)目。因?yàn)槠嚾顷P(guān)乎平滑，富有曲線的反射?！?

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(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(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(shí)證明，它有助于驗(yàn)證我們的材質(zhì)外觀，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追蹤技術(shù)。首先，計(jì)算柵格基礎(chǔ)通道，然后啟動(dòng)光線追蹤通道。Epic Games的首席光線追蹤程序員胡安·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(dú)采用光線追蹤，你將需要大量光線和樣本才能實(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，條紋是由帶有光線追蹤柔和陰影的動(dòng)畫紋理區(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(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，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。這些反射射線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?！彼^續(xù)補(bǔ)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(jì)劃將其添加至未來(lái)的光線追蹤半透明迭代。

屏幕空間光線追蹤動(dòng)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(duì)于光線追蹤技術(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(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，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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