- 虚幻引擎及光线追踪带来的启示

2016年5月，我们启动了一个项目，将虚幻4引擎运行在PowerVR GR6500系统上，起初是在常规光栅模式下，但不久后增加l了对光线追踪功能的支持。由于虚幻4引擎代码库的架构，默认仅在移动平台上支持OpenGL ES 2.x和3.x，且在Linux系统只支持桌面版OpenGL 4.x。同时我们也决定扩展Vulkan跨平台API，使得在桌面版Linux主机上支持我们的“移动端”GPU。

我们只花了几周时间就熟悉了Yaakuro所做的工作，并根据当前虚幻4引擎代码库对其项目进行了更新，实现了在英伟达GPU上移植Vulkan API。从次以后就可以简单地实现Vulkan设备管理切换为GR6500板卡，并使用Imagination开发的Vulkan驱动程序，只需要对SDL库做些微小的调整就可以让引擎好像是在X window上渲染，实际上是在渲染评估系统HDMI的输出画面。

项目停顿了一段时间，因为我们已经非常熟悉虚幻4引擎的代码库，并且与在UK的工程师协作完成和稳定了Vulkan驱动程序，同时我们开始计划使用Vulkan光线追踪扩展API向虚幻引擎中添加基础的光线追踪功能。

最初阶段涉及到调节引擎的渲染传递机制来执行光线场景的构建操作，使用Vulkan光线追踪扩展API非常简单，因为修改的代码非常类似Vulkan现在的光栅渲染，使用开始/结束命令包装渲染次序，使用带有顶点和光线着色器的Vulkan管道对象取代常规的光栅着色器。我们还可以重复使用现在的“静态网格”几何图形来绘制一个环路，适当调整来移除投影碎片的可见性检查，我们希望所有的几何体都能够被渲染到光线追踪的层次结构中。

我们能够准确的使用与光栅渲染相同的顶点着色器（有引擎编译生成），仅需要改变一些参数值来控制顶点的转换使得顶点的输出在世界场景中而不是投影的屏幕空间中。起初，我们使用手写的光线着色器，编写自己的代码实现控制，仅要求顶点属性结构能够匹配顶点着色器（这种方式只需要在引擎编译之前解析顶点着色器的GLSL资源）。

这让我们能够一次性的完成场景搭建和光线追踪渲染，我们增加了基本颜色、光源、阴影和反射属性，最后一步是展示测试，在游戏画面中光线追踪图形应该叠加在常规的光栅图形上面。

下一步就是让引擎能够根据实际的场景材料自己生成光线着色器，采用材料和着色器跨编译器机制使得我们你能够增加其他着色器类型，尽管引擎只是将它们作为第二像素（碎片）着色器，从USF着色器文件资源衍生而来（USF资源定义了常规的像素着色器）。然后Vulkan RHI层会将二次USF像素着色器转换为GLSL，将GLSL资源代码转换为光线着色器，最后会将其编译到SPIR-V资源文件中。在引擎的高层次中的材料代码会创建像素着色器的二次副本（也就是说相关参数是相同的），然后将它传递给RHI，因为它只接收二次像素着色器实际上我们这里给它传递的是光线着色器副本。最后与像素着色器的绑定方式相似，它会准确的绑定所有相同的材质资源。

虽然是一个全局的光线追踪渲染器，但是实际上它是常规像素着色器行为的复制或者说几乎相同，包括映射/CSM阴影、反射探针反射以及所有相同的光源变体（光源图、方向光、可选的点光源等）。

使用USF内置的功能来调节引擎的HLSL解析器一般会将光线追踪的一些细节（输入和输出光线管理、与光线着色器绑定的参数）隐藏起来。这使得USF着色器代码包含了更多功能，如检查输入光线的深度（用于光线反射调节）、发射反射和阴影光线以及统计光线追踪累积缓存中的最终颜色值，不使用额外非常的语法。这些调用的函数会转换为GLSL,而且这些函数的实现会添加到GLSL代码中，作为从像素着色器向光线着色器的转换代码。

使用一些预处理程序，可以使用USF的像素着色器代码快速搭建出基本的光线着色器，仅需要添加10行代码和调节，就可以实现光线追踪反射和图像深度统计。其他部分重组的USF代码需要添加光线追踪阴影，只需要将光源计算放到阴影计算之前，这样我们就可以实现动态切换是选择光栅（映射/CSM查找）还是光线追踪（递归统计）阴影效果。

展示的这个Demo是在常规引擎说明场景基础上扩展的一个版本，引擎可以自由切换为光栅模式还是光栅追踪模式。尽管在光线追踪模式下，我们也可以在光栅和光线追踪阴影之间选择以及颜色取样和光线追踪反射效果。我们还增加了其他一些材料用于在渲染模式下每种材料表面参数设置。举个例子，因为这个初始版本的光线追踪反射实现方案不支持光滑（或模糊）反射，我们展示了如何设置使得一些材料可以继续使用模糊探测反射，其他材料使用光线追踪实现真正的光滑反射效果。

最后我们演示了光线追踪的灵活性，提供可选的摄像机模型和第四种渲染模式，即使用真正的360度球面透镜渲染整个场景。

后面的工作我们会涉及到动态几何图形，支持点光源，重新实现和优化我们开发的混合单射线软阴影算法。

本篇文章作者Will Anielewicz，高级软件工程师（PowerVR，Imagination）; Simon Eves，高级软件工程师(PowerVR，Imagination)。