實時光線追蹤的實現(xiàn)——D5 Fusion 技術分享

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 都是繞不開的話題。如何在各個時期的硬件條件之下，開發(fā)出更高效的全局光照算法，一直以來是計算機圖形學中不大不小的挑戰(zhàn)。光線追蹤的探索從1968年開始，發(fā)展至今其實已經(jīng)非常成熟。離線渲染器經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)非常好的融入了建筑室內(nèi)設計的工作流程當中。

D5團隊希望在此基礎上再推進，設計開發(fā)一款基于物理真實光線追蹤的實時GI渲染器。不僅擁有實時渲染器毫秒級的渲染效率和交互體驗，同時得到離線渲染器一般逼真的渲染結(jié)果。幫助設計師更簡單高效的表達自己的設計創(chuàng)意。

點擊鏈接觀看，RTX效果示意

首先，我們?yōu)?D5 Fusion 設計了兩套GI方案，來滿足用戶對于高品質(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)，高效的計算直接光照給建筑場景帶來的效果。同時加入path tracing算法，為每個像素進行500spp隨機采樣的多次路徑追蹤，來計算間接光源對于每個像素的影響。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。

為了進一步加速計算過程，D5 Fusion 的降噪部分使用了AI降噪技術。Ai加速的降噪技術通過數(shù)萬優(yōu)質(zhì)渲染圖的訓練，大幅提高速度，數(shù)秒內(nèi)完成降噪過程，并且規(guī)避了樣本不足造成的邊緣鋸齒和噪點。

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

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

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

于是我們想，既然記錄了，那不如公開他們，讓更多人了解這項技術的應用、進步和發(fā)展，也歡迎專業(yè)人士對我們的建議和指正，共同幫助Fusion茁壯成長。

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，實時渲染軟件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～