實時光線追蹤是如何實現的？D5 Fusion 技術分享

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一個不大不小的挑戰

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。光線追蹤的探索從1968年開始，發展至今其實已經非常成熟。離線渲染器經過多年的發展，已經非常好的融入了建筑室內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果。幫助設計師更簡單高效的表達自己的設計創意。

說明：實時渲染，點擊渲染按鈕/空格鍵進入rtx效果

我們做了什么
首先，我們為 D5 Fusion 設計了兩套GI方案，來滿足用戶對于高品質效果圖和交互式3D渲染的需求。

第一套方案中，我們利用UE4渲染引擎本身優秀的光柵化渲染和完整的材質系統，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（pian）化（ren）算法相結合的混合方案。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萬優質渲染圖的訓練，大幅提高速度，數秒內完成降噪過程，并且規避了樣本不足造成的邊緣鋸齒和噪點。

與其他宣稱「優化了」path tracing算法的實時渲染產品不同的是，我們并不規避這種暴力算法來盡力追求最好的效果。隨著英偉達RTX系列顯卡的發布（還有GTX系列顯卡的驅動支持的情況下），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，現在可以在接杯水的時間里完成。

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當然，這套方案還需要一些微調。另外對于材質系統的優化也有大量的工作要做。
從3月中完成這個部分的產品開發后，有很多用戶積極地參與了我們的內測。我們自己也做了很多測試案例，一一記錄渲染表現和不足之處來更好地優化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、進步和發展，也歡迎專業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～

VRay - 案例樣圖

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Lumion
來源：sketchup bar | 作者：ccaxx

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Enscape
來源：sketchup bar | 作者：黃豆豆

D5 Fusion

簡要分析

光感方面：
??整體光感比較好，柔和，曝光度適宜
??相比于效果最好的vray，明暗細節不夠豐富，過渡還不夠自然，有光照的地方相對較曝，沒有光照的暗部過于深，有一部分細節丟失

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??目前使用的lighting shaft方式產生的光束效果僅在一定角度才能顯示

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材質表現方面：
??木紋和布藝很真實

??如使用自定義貼圖（即SU默認貼圖），金屬質感沒有很強，特別是做舊和拉絲紋理沒有體現
這邊使用了一個小技巧，用了D5 Fusion自帶材質庫的金屬材質，質感表現就較好

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?玻璃材質有明顯的問題，沒有表現出反射和折射的光感
玻璃材質與普通材質不同，需要同時計算內表面與外表面的效果進行疊加。這個問題將會在近期的更新中解決

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接下來我們會做什么

首先優先解決玻璃材質質感的問題。折射是一個相對獨立的部分，玻璃材質的折射目前還是沿用光柵化的技術，這一細節的光線追蹤運用尚處于開發階段，到時候也會第一時間跟大家分享成果和技術原理～

其次，我們會在本周更新 D5 Fusion 的第二套 GI 方案，也就是「實時光線追蹤 GI」。我們也會在下一篇blog當中為大家講述這部分的我們的解決方案，并且展示一些案例和對比。

另外，NVidia于上周更新了顯卡驅動，為GTX 1060以上的顯卡帶來了實時光線追蹤的加速支持。我們在第一時間做了一些測試工作，會盡快在產品中加入支持。

歡迎積極與我們互動～