實(shí)時(shí)光線追蹤的實(shí)現(xiàn)——D5 Fusion 技術(shù)分享

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。

點(diǎn)擊鏈接觀看，RTX效果示意

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。

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～