實(shí)時(shí)光線追蹤是如何實(shí)現(xiàn)的？D5 Fusion 技術(shù)分享

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一個(gè)不大不小的挑戰(zhàn)

要把任何形式的3D模型渲染出媲美照片的效果，全局光照 Global Illumination 都是繞不開(kāi)的話題。如何在各個(gè)時(shí)期的硬件條件之下，開(kāi)發(fā)出更高效的全局光照算法，一直以來(lái)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中不大不小的挑戰(zhàn)。光線追蹤的探索從1968年開(kāi)始，發(fā)展至今其實(shí)已經(jīng)非常成熟。離線渲染器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)非常好的融入了建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)的工作流程當(dāng)中。

D5團(tuán)隊(duì)希望在此基礎(chǔ)上再推進(jìn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款基于物理真實(shí)光線追蹤的實(shí)時(shí)GI渲染器。不僅擁有實(shí)時(shí)渲染器毫秒級(jí)的渲染效率和交互體驗(yàn)，同時(shí)得到離線渲染器一般逼真的渲染結(jié)果。幫助設(shè)計(jì)師更簡(jiǎn)單高效的表達(dá)自己的設(shè)計(jì)創(chuàng)意。

說(shuō)明：實(shí)時(shí)渲染，點(diǎn)擊渲染按鈕/空格鍵進(jìn)入rtx效果

我們做了什么
首先，我們?yōu)?D5 Fusion 設(shè)計(jì)了兩套GI方案，來(lái)滿足用戶對(duì)于高品質(zhì)效果圖和交互式3D渲染的需求。

第一套方案中，我們利用UE4渲染引擎本身優(yōu)秀的光柵化渲染和完整的材質(zhì)系統(tǒng)，高效的計(jì)算直接光照給建筑場(chǎng)景帶來(lái)的效果。同時(shí)加入path tracing算法，為每個(gè)像素進(jìn)行500spp隨機(jī)采樣的多次路徑追蹤，來(lái)計(jì)算間接光源對(duì)于每個(gè)像素的影響。這是一套將暴力算法和優(yōu)（pian）化（ren）算法相結(jié)合的混合方案。這個(gè)混合方案一方面保證了渲染的速度，另一方面也保證了圖片光感的物理正確。

為了進(jìn)一步加速計(jì)算過(guò)程，D5 Fusion 的降噪部分使用了AI降噪技術(shù)。Ai加速的降噪技術(shù)通過(guò)數(shù)萬(wàn)優(yōu)質(zhì)渲染圖的訓(xùn)練，大幅提高速度，數(shù)秒內(nèi)完成降噪過(guò)程，并且規(guī)避了樣本不足造成的邊緣鋸齒和噪點(diǎn)。

與其他宣稱「優(yōu)化了」path tracing算法的實(shí)時(shí)渲染產(chǎn)品不同的是，我們并不規(guī)避這種暴力算法來(lái)盡力追求最好的效果。隨著英偉達(dá)RTX系列顯卡的發(fā)布（還有GTX系列顯卡的驅(qū)動(dòng)支持的情況下），我們可以充分利用硬件中RT Core對(duì)于這種算法的支持。原本占到路徑追蹤絕大部分計(jì)算量的光線求交，只能哼哧哼哧的計(jì)算。而如今這部分的計(jì)算可以從硬件底層加速。一個(gè)具有可比性的例子是，專門(mén)為比特幣設(shè)計(jì)的礦機(jī)，可以以百倍的算力挖礦。而曾經(jīng)使用GPU甚至CPU挖礦的人，則回到了石器時(shí)代，退出了歷史舞臺(tái)。

通過(guò)使用光柵化處理直接光照、RT Core 加速路徑追蹤和AI加速的實(shí)施降噪，這套 GI 方案的 4k 圖渲染時(shí)間大約已經(jīng)降低到兩分鐘左右。以往需要等待一頓飯時(shí)間才能看到的效果，現(xiàn)在可以在接杯水的時(shí)間里完成。

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當(dāng)然，這套方案還需要一些微調(diào)。另外對(duì)于材質(zhì)系統(tǒng)的優(yōu)化也有大量的工作要做。
從3月中完成這個(gè)部分的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)后，有很多用戶積極地參與了我們的內(nèi)測(cè)。我們自己也做了很多測(cè)試案例，一一記錄渲染表現(xiàn)和不足之處來(lái)更好地優(yōu)化Fusion。

于是我們想，既然記錄了，那不如公開(kāi)他們，讓更多人了解這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用、進(jìn)步和發(fā)展，也歡迎專業(yè)人士對(duì)我們的建議和指正，共同幫助Fusion茁壯成長(zhǎng)。

下面是我們使用 D5 Fusion 第一套 GI 方案所做的案例。
另外選擇了靜態(tài)渲染器VRay，實(shí)時(shí)渲染軟件 Lumion和插件 Enscape作為參照。（選用了 ccaxx、黃豆豆二位老師的作品作為參考素材，在此致謝～

VRay - 案例樣圖

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Lumion
來(lái)源：sketchup bar | 作者：ccaxx

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Enscape
來(lái)源：sketchup bar | 作者：黃豆豆

D5 Fusion

簡(jiǎn)要分析

光感方面：
??整體光感比較好，柔和，曝光度適宜
??相比于效果最好的vray，明暗細(xì)節(jié)不夠豐富，過(guò)渡還不夠自然，有光照的地方相對(duì)較曝，沒(méi)有光照的暗部過(guò)于深，有一部分細(xì)節(jié)丟失

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??目前使用的lighting shaft方式產(chǎn)生的光束效果僅在一定角度才能顯示

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材質(zhì)表現(xiàn)方面：
??木紋和布藝很真實(shí)

??如使用自定義貼圖（即SU默認(rèn)貼圖），金屬質(zhì)感沒(méi)有很強(qiáng)，特別是做舊和拉絲紋理沒(méi)有體現(xiàn)
這邊使用了一個(gè)小技巧，用了D5 Fusion自帶材質(zhì)庫(kù)的金屬材質(zhì)，質(zhì)感表現(xiàn)就較好

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?玻璃材質(zhì)有明顯的問(wèn)題，沒(méi)有表現(xiàn)出反射和折射的光感
玻璃材質(zhì)與普通材質(zhì)不同，需要同時(shí)計(jì)算內(nèi)表面與外表面的效果進(jìn)行疊加。這個(gè)問(wèn)題將會(huì)在近期的更新中解決

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接下來(lái)我們會(huì)做什么

首先優(yōu)先解決玻璃材質(zhì)質(zhì)感的問(wèn)題。折射是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，玻璃材質(zhì)的折射目前還是沿用光柵化的技術(shù)，這一細(xì)節(jié)的光線追蹤運(yùn)用尚處于開(kāi)發(fā)階段，到時(shí)候也會(huì)第一時(shí)間跟大家分享成果和技術(shù)原理～

其次，我們會(huì)在本周更新 D5 Fusion 的第二套 GI 方案，也就是「實(shí)時(shí)光線追蹤 GI」。我們也會(huì)在下一篇blog當(dāng)中為大家講述這部分的我們的解決方案，并且展示一些案例和對(duì)比。

另外，NVidia于上周更新了顯卡驅(qū)動(dòng)，為GTX 1060以上的顯卡帶來(lái)了實(shí)時(shí)光線追蹤的加速支持。我們?cè)诘谝粫r(shí)間做了一些測(cè)試工作，會(huì)盡快在產(chǎn)品中加入支持。

歡迎積極與我們互動(dòng)～