保時捷Speed of Light：實時光線追蹤的又一進步

　　2018年11月24日，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步。Epic Games，英偉達和保時捷的聯合演示內容為我們帶來了“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的當前發展。實時例子是英偉達主題演講的亮點，他們重點強調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嵌入式系統負責人弗朗斯瓦·安東尼(François Antoine)表示：“我們在這個項目上取得了一系列的創新：一個完全光線追蹤的動態場景，帶有多陰影和紋理區域照明，真實區域照明采樣，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行實時拍攝。”

　　這個演示內容以在GDC 2018大會通過“Reflections”所展示的進步作為基礎。“Reflections”這個視頻故事包含來自“星球大戰”系列的三個高反射光線追蹤角色，并采用Unreal引擎進行實時渲染。“Speed 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步。

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

　　1. 演示內容

　　當安東尼與首席技術官吉姆·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，這個演示內容的靈感就自然而然地浮現于他們腦海之中。安東尼說道：“當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保時捷Speedster，以及RTX和圖靈為實時行業帶來的巨大照明保真度進步的方法。‘速度(speed)’和‘光(light)’這兩個詞馬上出現在腦海中。”

　　團隊齊聚SIGGRAPH 2018，并展示了關于影視和交互作品背后的創新技術，其中包括“Speed of Light”演示內容。安東尼解釋說：“影視可以無縫轉換到具有完全相同區域照明，汽車asset和多邊形數量的交互式作品中。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的場景，可以在第一代硬件上運行。”

　　2. 整合在一起

　　創建演示內容不僅需要出色的硬件。團隊開始采用保時捷概念車的實際CATIA CAD制造文件，并通過導入套件Datasmith將其帶到Unreal引擎。

　　最初的導入產生了4000萬個多邊形，所以團隊有選擇性地將其細分為不到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，多邊形數量對NVIDIA RTX渲染性能的影響不如光柵化渲染那么嚴重，這對于大型數據集的可視化而言是一個真正的優勢。相反，每個像素的光線投射數量是衡量性能影響的更好方法。”

　　演示內容中的材質種類繁多，將概念車的內部和外部都充分展現出來，并致力于令反光和半透明表面看起來盡可能準確。為了實現這一目標，團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部結構，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：“這種新發現的見解，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，團隊同時邀請了X-Rite的色彩管理專家掃描了數個保時捷材料樣品，如皮革和油漆樣品，并保存以專有的AxF格式(Unreal Studio最近已經支持)。這產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外觀，并且為最終像素帶來直接的貢獻。”

　　3. Speed of Light的實時渲染

　　在實時播放期間，演示內容采用了光柵和光線追蹤技術。首先，計算柵格基礎通道，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(Juan Canada)說道：“通過這種方法，演示內容可以計算出傳統光柵技術難以實現的復雜效果。”

　　光線追蹤的工作原理是投射有限數量的光線，并記錄由這些光線產生的光線/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量保持最小，同時仍然能產生照片級真實感圖像，光線追蹤技術使用了去噪處理，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，而是一個考慮了眾多因素的復雜算法。實際上，光線追蹤器的降噪器質量可以決定渲染器在速度 vs 質量方面的有效性。

　　對于“Speed of Light”演示內容，英偉達優化了用于“Reflections”項目的降噪器。英偉達的實時渲染軟件高級經理伊格納西奧·拉馬斯(Ignacio Llamas)說道：“這種降噪器現在可以通過單個樣品處理包含光澤度和粗糙度的材質，通常是與數百或數千個樣品參考進行匹配。”

　　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行感受。傳統而言，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域光源所生成。這模仿了在真實攝影工作室環境中產生亮條紋的方式，其中光線影響汽車材質的漫反射和鏡面反射分量，從而創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，這個演示內容同時代表了實時光線追蹤半透明的巨大進步。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來進行計算。對于沿著光線發現的每個半透明層，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。”他繼續補充道，目前用于光線追蹤半透明的技術不包括去噪功能，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漫反射全局照明進一步提升了汽車照明效率，現在比以前只需要更少的照明，而且它們能夠實現比以前更加微妙的行為。

　　對于光線追蹤技術的所述進步，其帶來的好處令“Speed of Light”演示內容可以實時播放。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所達到的水平。”

　　4. 技術的進步

　　幾年前，實時光線追蹤似乎是一項不可能實現的成就，但現在已經觸手可及。隨著光線追蹤技術的不斷進步，用戶的設置和使用將變得更加容易。不需要反射探針，光線烘焙或復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：“實際的創新技術比你注意到的還要多，而這是一件好事。技術不應引起你的注意，它應該是令圖像看起來更合理。”

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

　　第二種是DXR技術，以及一個提供了可以快速開發光線追蹤架構環境的API。另外，去噪技術的進步同樣發揮了作用。

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