在今年的GDC（游戲開發者大會）的Advanced Graphics Summit上，關于Snowdrop引擎中光線追蹤技術的討論引起了廣泛關注。
一、光線追蹤全局照明的實現細節
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屏幕空間追蹤：
- 屏幕空間追蹤從相機出發，對屏幕上的每個像素點生成一條或多條光線。
- 這些光線在屏幕上進行遍歷，查找與場景物體相交的點。
- 一旦找到相交點，引擎會計算該點處的光照信息，包括顏色、亮度等。
- 由于屏幕空間追蹤只關注屏幕上的像素，因此其計算效率較高，但精度可能受到屏幕分辨率的限制。
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世界空間追蹤：
- 如果屏幕空間追蹤未能找到相交點，引擎會轉向世界空間進行追蹤。
- 在世界空間中，引擎會發出光線，并檢查光線是否與場景中的任何物體相交。
- 為加速這一過程，引擎使用BVH（邊界體積層次）數據結構。BVH將場景劃分為多個層次化的體積，從而可以快速定位到與光線相交的物體。
- 一旦找到相交點，引擎會計算該點處的光照信息，并考慮光線在物體間的傳播和交互。
- 世界空間追蹤的計算量較大，但可以提供更高的精度和更真實的光照效果。
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光照緩存：
- 如果世界空間追蹤也未能找到相交點，引擎會使用光照緩存作為后備方案。
- 光照緩存是預先計算并存儲的光照信息，包括場景中不同位置的光照強度和顏色等。
- 引擎會根據當前場景的幾何形狀和光源位置，動態地更新光照緩存中的信息。
- 當光線與場景中的物體相交時，引擎會查找光照緩存中對應位置的光照信息，并應用到渲染結果中。
- 光照緩存可以顯著提高渲染速度，但可能會占用較大的內存空間。
- 他是探針是利用級聯分布的：級聯3是最近的一個，每個探針之間的間隔是2米，覆蓋64x64x16米的區域。 級聯2跟隨，探針間隔為8米，覆蓋256x256x64米的區域。 然后是級聯1，探針之間的間隔為64米，覆蓋2048x2048x512米的區域。 最后是遠處的級聯0，探針之間的間隔為1024米，覆蓋32x32x8公里的區域。
二、光線追蹤反射的實現細節
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每像素光線追蹤：
- 對于每個像素，引擎都會發出一條或多條光線來模擬反射效果。
- 這些光線從像素位置發出，并根據反射定律進行追蹤。
- 根據質量設置，引擎可以使用不同分辨率的光線進行追蹤。較低分辨率的光線追蹤可以提高性能，但可能會降低反射的清晰度；而較高分辨率的光線追蹤則可以生成更精確的反射效果。
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可變混合分辨率：
- 為了在保持渲染質量的同時降低計算開銷，引擎采用了可變混合分辨率技術。
- 這意味著圖像的不同部分可以根據需要采用不同的分辨率進行追蹤。例如，在細節豐富的區域使用高分辨率，而在平坦的區域使用低分辨率。
- 可變混合分辨率技術可以顯著提高渲染效率，同時保持較好的視覺效果。
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多層反射：
- Snowdrop引擎支持多達兩層的反射效果。
- 當光線與物體相交時，引擎會遞歸地追蹤光線的反射路徑，并計算每次反射時的光照信息。
- 多層反射可以生成更真實、復雜的反射效果，但也會增加計算量。
三、LOD（層次細節）和材質優化的實現細節
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LOD（層次細節）：
- LOD技術允許引擎根據物體與玩家的距離和重要性選擇使用不同的細節層次進行渲染。
- 較遠的物體或不太重要的物體可以使用較低的細節層次進行渲染，以減少計算量并提高性能。
- 引擎會根據需要動態加載和卸載不同級別的細節數據，以保持場景的連貫性和一致性。
- LOD技術的關鍵在于如何平衡渲染質量和性能，以提供最佳的視覺體驗。
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材質優化：
- 為了減少計算量并提高渲染速度，引擎對材質進行了優化。
- 每個網格通常只使用一種簡單的材質，并盡量減少紋理的使用。對于需要紋理的對象，引擎會采用專門的紋理壓縮和優化技術來減少內存占用并提高渲染速度。
- 引擎還會根據物體的材質屬性進行光照計算和優化。例如，對于金屬表面，引擎會采用基于物理的渲染（PBR）技術來模擬其真實的光澤和反射效果；而對于漫反射表面，引擎則會使用更簡單的光照模型來加速計算。
四、性能優化策略的實現細節
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BVH（邊界體積層次）優化
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BVH是光線追蹤中常用的數據結構，用于加速光線與場景中物體的相交測試。以下是一些BVH優化的策略：
- 減少樹的深度與寬度：通過減少BVH樹的深度和寬度，可以降低光線追蹤時的遍歷次數，從而提高性能。這通常需要在構建BVH時仔細選擇分割點和分割方式。
- 平衡樹的結構：保持BVH樹的平衡可以確保光線在樹中的遍歷路徑相對平均，避免出現極端情況導致的性能下降。這需要在構建BVH時考慮節點的體積、表面積等因素。
- 高效的內存布局：優化BVH的內存布局可以減少緩存未命中和內存訪問延遲，從而提高性能。例如，可以使用空間填充曲線（如Morton曲線）對BVH節點進行排序和存儲。
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著色器間切換開銷的減少
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在光線追蹤中，由于需要處理多種類型的著色器（如路徑追蹤著色器、反射著色器等），著色器間的切換開銷可能成為性能瓶頸。以下是一些減少著色器間切換開銷的策略：
- 著色器合并：將多個相似的著色器合并為一個更大的著色器，以減少著色器間的切換次數。這需要在著色器編寫時仔細考慮代碼的復用性和模塊化。
- 著色器緩存：利用GPU的著色器緩存機制，緩存已編譯的著色器程序，以便在需要時快速訪問。這可以減少著色器的編譯和加載時間。
- 延遲著色：通過將渲染過程分解為多個階段，并在每個階段使用相同的著色器進行處理，可以減少著色器間的切換開銷。延遲著色通常用于實現復雜的光照和材質效果。
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純inline ray tracing
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純inline ray tracing是一種將光線追蹤邏輯嵌入到渲染管線中的方法，以減少函數調用和狀態切換的開銷。這種方法通常需要在編寫渲染管線時仔細考慮光線追蹤的需求，并將其與現有的渲染技術（如延遲渲染、前向渲染等）相結合。通過減少函數調用和狀態切換的次數，純inline ray tracing可以顯著提高光線追蹤的性能。
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并行化
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光線追蹤是一個高度并行的計算過程，可以通過利用GPU的多核并行處理能力來提高性能。以下是一些并行化的策略：
- 任務并行化：將光線追蹤任務劃分為多個子任務，并在GPU的不同核心上并行執行這些子任務。這可以通過使用CUDA、OpenCL等并行計算框架來實現。
- 數據并行化：利用GPU的數據并行處理能力，同時對多個像素或光線進行光線追蹤計算。這可以通過編寫高效的著色器程序來實現。
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其他優化策略
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除了上述策略外，還有一些其他的性能優化策略可以用于光線追蹤中，例如：
- 光線剪裁：通過剪裁掉與場景中的物體不相交的光線，可以減少不必要的計算量。這可以通過使用遮擋剔除、場景深度測試等技術來實現。
- 動態調整光線追蹤質量：根據場景中的光照條件和渲染需求，動態調整光線追蹤的質量設置（如光線數量、采樣率等）。這可以在保持渲染質量的同時降低計算量。
- 使用高效的數據結構和算法：選擇適合光線追蹤的數據結構和算法可以顯著提高性能。例如，使用哈希表來快速查找相交物體、使用KD樹來加速光線與物體的相交測試等。
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