保时捷Speed of Light：实时光线追踪的又一进步

　　2018年11月24日，在SIGGRAPH 2018大会上，我们看到了Unreal引擎实时光线追踪的又一次进步。Epic Games，英伟达和保时捷的联合演示内容为我们带来了“Speed of Light”。这部实时影片以保时捷Speedster概念车作为主角，并通过光滑表面上的多个光源交互来演示了实时光线追踪技术的当前发展。实时例子是英伟达主题演讲的亮点，他们重点强调了实时光线追踪的可能性。

　　主题演讲不仅只是展示了一部影片，他们同时演示了一种交互式体验。用户可以通过这款体验来控制和编辑不同的照明配置，从而了解它们是如何实时影响汽车的外观。

　　该项目的VFX主管，Epic Games嵌入式系统负责人弗朗斯瓦·安东尼(François Antoine)表示：“我们在这个项目上取得了一系列的创新：一个完全光线追踪的动态场景，带有多阴影和纹理区域照明，真实区域照明采样，光线追踪的半透明和透明涂层着色模型，反射阴影去噪，以及屏幕空间实时光线追踪全局照明。”

　　“项目包括两个组成部分，影片‘观赏模式’和交互式照明工作室，两者都采用完全相同的车辆asset和渲染功能集。实际上，影片是通过Unreal引擎的Sequencer来在交互式灯光工作室中进行实时拍摄。”

　　这个演示内容以在GDC 2018大会通过“Reflections”所展示的进步作为基础。“Reflections”这个视频故事包含来自“星球大战”系列的三个高反射光线追踪角色，并采用Unreal引擎进行实时渲染。“Speed of Light”则突出了自那时以来Unreal引擎在光线追踪性能和速度方面所取得的进步。

　　除了使用了比“Reflections”更全面的RTX功能集外，这个演示内容仅需要两枚NVIDIA Quadro RTX，与“Reflections”演示内容所需的四枚Volta GPU不同。仅这一点就证明了英伟达硬件正在提升实时光线追踪的速度。

　　1. 演示内容

　　当安东尼与首席技术官吉姆·利布雷里(Kim Libreri)讨论Unreal引擎将如何充分利用NVIDIA Quadro RTX提供的功能时，这个演示内容的灵感就自然而然地浮现于他们脑海之中。安东尼说道：“当我们第一次看到图灵的光线追踪功能集时，我们立即想到了一个以汽车为核心的项目。因为汽车全是关乎平滑，富有曲线的反射。”

　　他补充道：“我们谈到了一种在视觉上呈现保时捷Speedster，以及RTX和图灵为实时行业带来的巨大照明保真度进步的方法。‘速度(speed)’和‘光(light)’这两个词马上出现在脑海中。”

　　团队齐聚SIGGRAPH 2018，并展示了关于影视和交互作品背后的创新技术，其中包括“Speed of Light”演示内容。安东尼解释说：“影视可以无缝转换到具有完全相同区域照明，汽车asset和多边形数量的交互式作品中。影片和照明工作室的保真度令人印象深刻，因为这是一个完全动态的场景，可以在第一代硬件上运行。”

　　2. 整合在一起

　　创建演示内容不仅需要出色的硬件。团队开始采用保时捷概念车的实际CATIA CAD制造文件，并通过导入套件Datasmith将其带到Unreal引擎。

　　最初的导入产生了4000万个多边形，所以团队有选择性地将其细分为不到1000万个多边形。后来证明这不是一个必要的步骤，因为多边形数降低四倍实际上对渲染性能的影响不大。安东尼指出：“事实证明，多边形数量对NVIDIA RTX渲染性能的影响不如光栅化渲染那么严重，这对于大型数据集的可视化而言是一个真正的优势。相反，每个像素的光线投射数量是衡量性能影响的更好方法。”

　　演示内容中的材质种类繁多，将概念车的内部和外部都充分展现出来，并致力于令反光和半透明表面看起来尽可能准确。为了实现这一目标，团队利用了大量的实际参考资料，甚至拆卸了实际的保时捷汽车零件，以便更好地了解其内部结构，以及它们是如何与光线相互作用。

　　这种方法在分析Speedster的尾灯时特别有用。安东尼指出：“这种新发现的见解，再加上光线追踪的物理精确行为，使得我们能够获得比以往更加逼真的尾灯。”

　　另外，团队同时邀请了X-Rite的色彩管理专家扫描了数个保时捷材料样品，如皮革和油漆样品，并保存以专有的AxF格式(Unreal Studio最近已经支持)。这产生了高分辨率的纹理和法线贴图，可用于汽车油漆的透明涂层，纯白色涂料和皮革座椅纹理。

　　安东尼表示：“尽管这是我们第一次尝试使用AxF，但事实证明，它有助于验证我们的材质外观，并且为最终像素带来直接的贡献。”

　　3. Speed of Light的实时渲染

　　在实时播放期间，演示内容采用了光栅和光线追踪技术。首先，计算栅格基础通道，然后启动光线追踪通道。Epic Games的首席光线追踪程序员胡安·简拿达(Juan Canada)说道：“通过这种方法，演示内容可以计算出传统光栅技术难以实现的复杂效果。”

　　光线追踪的工作原理是投射有限数量的光线，并记录由这些光线产生的光线/颜色样本。如果单独采用光线追踪，你将需要大量光线和样本才能实现照片级真实感，因此需要非常长时间才能完成渲染。但是，如果为了减少渲染时间而采集过少的样本，图像看起来将会斑斑点点。

　　为了令光线和样本数量保持最小，同时仍然能产生照片级真实感图像，光线追踪技术使用了去噪处理，一种减少相邻像素颜色之间差异的方法。降噪器不仅仅是一个模糊像素或平均像素的简单函数，而是一个考虑了众多因素的复杂算法。实际上，光线追踪器的降噪器质量可以决定渲染器在速度 vs 质量方面的有效性。

　　对于“Speed of Light”演示内容，英伟达优化了用于“Reflections”项目的降噪器。英伟达的实时渲染软件高级经理伊格纳西奥·拉马斯(Ignacio Llamas)说道：“这种降噪器现在可以通过单个样品处理包含光泽度和粗糙度的材质，通常是与数百或数千个样品参考进行匹配。”

　　对于快速有效去噪的一个例子，你可以从光条纹反射在汽车上的方式进行感受。传统而言，RTX渲染将利用平面上的简单纹理来生成这样的效果。在“Speed of Light”中，条纹是由带有光线追踪柔和阴影的动画纹理区域光源所生成。这模仿了在真实摄影工作室环境中产生亮条纹的方式，其中光线影响汽车材质的漫反射和镜面反射分量，从而创造出更加逼真的光线行为。

　　除了展示了实时渲染反射表面的提升之外，这个演示内容同时代表了实时光线追踪半透明的巨大进步。拉马斯解释说：“它的工作原理是追踪来自camera的主光线，选择首先只与场景中的半透明几何体相交，直到第一个不透明击中，而这是通过光栅化GBuffer来进行计算。对于沿着光线发现的每个半透明层，我们随后将追踪反射和阴影射线。这些反射射线本身可以击中额外的半透明层，并且还会追踪额外的阴影射线。”他继续补充道，目前用于光线追踪半透明的技术不包括去噪功能，但他们计划将其添加至未来的光线追踪半透明迭代。

　　屏幕空间光线追踪动态漫反射全局照明进一步提升了汽车照明效率，现在比以前只需要更少的照明，而且它们能够实现比以前更加微妙的行为。

　　对于光线追踪技术的所述进步，其带来的好处令“Speed of Light”演示内容可以实时播放。拉马斯指出：“在Quadro RTX 6000上播放的影片平均帧率大约为35-40 FPS，1080P，高于我们在DGX Station所达到的水平。”

　　4. 技术的进步

　　几年前，实时光线追踪似乎是一项不可能实现的成就，但现在已经触手可及。随着光线追踪技术的不断进步，用户的设置和使用将变得更加容易。不需要反射探针，光线烘焙或复杂的照明方法来伪造光栅渲染的真实感。照明和反射与物理特性分离，无需变通方法。

　　安东尼表示：“实际的创新技术比你注意到的还要多，而这是一件好事。技术不应引起你的注意，它应该是令图像看起来更合理。”

　　有几个因素在推动发展的过程中发挥了作用。首先，英伟达的显卡能够以一定的速度追踪光线，从而实现高质量的图像生成。

　　第二种是DXR技术，以及一个提供了可以快速开发光线追踪架构环境的API。另外，去噪技术的进步同样发挥了作用。

　　Epic Games对实时光线追踪的未来感到十分兴奋。Epic Games高级产品经理肯·皮门特尔(Ken Pimentel)说道：“这是一场能够改变创建最高保真度图像和体验成本的革命。你将无需在物理准确和难以置信图形之间进行选择，Unreal引擎可以同时为你带来这两点。”