视频系列：RTX实时射线追踪（上）
視頻系列：RTX實時射線追蹤（上）
Video Series: Practical Real-Time Ray Tracing With RTX
RTX在游戲和應(yīng)用程序中引入了一個令人興奮的和根本性的轉(zhuǎn)變。在這個視頻系列中，NVIDIA工程師Martin Karl Lefrancois和Pascal Gautron幫助您開始實時光線跟蹤。您將了解如何管理數(shù)據(jù)和渲染、加速結(jié)構(gòu)和著色器如何工作，以及管道需要哪些新組件。我們還將包括本視頻系列所基于的演示文稿中的關(guān)鍵幻燈片。
這些視頻包含豐富的信息，但在您觀看時不要擔(dān)心記下東西；我們已經(jīng)為您做了筆記。你可以從每一個以子彈形式呈現(xiàn)的片段中找到“關(guān)鍵的東西”。不過，我們強(qiáng)烈建議你在挖掘子彈之前先看視頻，以確保你得到了正確的上下文。
Part1: Ray Tracing: An Overview (3:15 min)
Key things from part 1
光線跟蹤是一個與光柵化根本不同的渲染過程，如圖1所示。
Figure 1. Instead of the triangle being projected on the screen, we take the position from the eye, send a ray through the pixel, and try to find the triangle underneath.
可以跟蹤更多光線來計算該像素的陰影。
當(dāng)你追蹤光線時，它會擊中最近的三角形并將其返回給你。
你不必解決它。它只會返回沿射線最近的三角形。
當(dāng)場景中有很多三角形時會發(fā)生什么？如何快速處理？您需要一個加速結(jié)構(gòu)，如圖2所示。場景中的所有對象周圍都有一個大的邊界框，一種算法將拆分該框并重復(fù)執(zhí)行此操作，直到該框僅包含幾個三角形。然后，你就可以用這些三角形來測試了。
Figure 2. The construction of this acceleration structure is provided by RTX API.
Part2: Data and Rendering (11:14 min)
Martin Karl解釋了實時光線跟蹤中數(shù)據(jù)的組成，并說明了加速度結(jié)構(gòu)、管道和綁定表是如何協(xié)同工作的。
Key things from part 2
圖形程序包括用戶界面和交互、引擎更新、數(shù)據(jù)和渲染。我們對光線跟蹤的數(shù)據(jù)和渲染組件特別感興趣。
光柵包括頂點緩沖區(qū)和包含場景中所有三角形的索引，如圖3所示，以及頂點和片段著色器。
Figure 3. Raster scene construction.
聚集一起，他們將有助于繪制你的場景。在光線跟蹤中，必須將頂點和索引的緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換為加速度結(jié)構(gòu)。同樣，頂點和片段著色器必須轉(zhuǎn)換為不同類型的著色系統(tǒng)。在光柵中，這些是分開的。在光線跟蹤器中，你必須把這些東西結(jié)合起來。
底層加速度結(jié)構(gòu)（BLAS）和頂層加速度結(jié)構(gòu)（TLAS）代表兩部分。為什么結(jié)構(gòu)會這樣分裂？讓我們考慮一個城市、汽車和卡車的例子，如圖4所示。
Figure 4. Splitting the acceleration structure into top and bottom halves improves performance.
一個加速結(jié)構(gòu)支撐著城市。你把所有的建筑都放在里面。這都是靜態(tài)的；你想渲染和光線跟蹤那塊非常快。
另一個加速結(jié)構(gòu)支撐著汽車。在本例中，有兩個實例使用它，因為同一輛車在場景中可以是不同的顏色。
最后，我們使用一個實例添加一個truck。
您可以輕松地重建頂層。汽車可以在整個城市移動，你不必重建整個系統(tǒng)。
你可以在底層重建。如果一個結(jié)構(gòu)必須調(diào)整，比如說，一場車禍，你可以在不改變其他結(jié)構(gòu)的情況下做出改變。
出于性能原因，您希望最小化底部結(jié)構(gòu)的數(shù)量。追蹤光線穿過兩個重疊的BLA需要做兩倍的工作來找到最近的交點…這一點很重要。
讓我們看看光線跟蹤管道，如圖5所示。
Figure 5. The Ray Tracing Pipeline
管道由一組著色器組成，如圖6所示。
首先是轉(zhuǎn)到光線生成著色器的像素。這就是你決定開始的地方和你拍攝光線的方向，一個叫做光線生成的過程，以每像素為單位執(zhí)行。這將為您準(zhǔn)備的每個像素調(diào)用。
然后，它將轉(zhuǎn)到遍歷，并調(diào)用交叉點著色器。有一個內(nèi)置的三角形（可以重寫）。
Figure 6. Ray tracing shader architecture
還有一個任意命中材質(zhì)球。這是內(nèi)置在管道中的，但您可以覆蓋它。例如，葉子形狀由alpha紋理定義的樹。你想讓這個系統(tǒng)經(jīng)歷所有的困難，直到它真的碰到什么東西。它測試alpha，只有當(dāng)葉子的身體受到真正的觸碰，而不是僅僅觸碰葉子的外部時，才會產(chǎn)生最接近的命中率。
您也可以將此用于陰影光線。
最接近的命中材質(zhì)球在實際接觸對象時起作用。最近的命中保存了陰影的代碼。你也可以從那里追蹤新的光線并追蹤到你的影子。
當(dāng)你什么都不碰的時候，你就會發(fā)現(xiàn)“小姐”的影子。你完全忽略了場景中的所有對象。例如，這將是您的環(huán)境著色器。
All together now
圖7中的圖表顯示了完全使用光線跟蹤著色器管道的可能性。
Figure 7. This diagram shows one possible data flow using ray tracing shaders.
你有一個TLAS（頂層加速結(jié)構(gòu)）和一個BLAS（底層加速結(jié)構(gòu)）。
管道是找到編譯的著色器和聲明所有著色器的位置。
著色綁定表將綁定著色器的元素。
它們共同維護(hù)一個復(fù)雜的關(guān)系，但不太復(fù)雜，如圖8中的組裝圖所示。
Figure 8. This assembly view shows the relationship between the ray tracing pipeline and the shader binding table. This is what you have to do in DX12.
在渲染方面，光線跟蹤只需要一個調(diào)用dispatchray。然后你可以移動到無人機(jī)，并渲染目標(biāo)。
Figure 9. The rendering side of ray tracing uses just a single call.
Part3: RTX Acceleration Structures (8:04 min)
Pascal現(xiàn)在提供了一個更深入的研究，當(dāng)您嘗試使用基于光柵的應(yīng)用程序并使其與光線跟蹤一起工作時會發(fā)生什么。
Key Things from Part 3
雖然本系列視頻的焦點是直接X12，但基本原理都轉(zhuǎn)移到Vulkan。閱讀我們的博客文章關(guān)于Vulkan射線跟蹤如何與RTX工作的更多細(xì)節(jié)。
Regarding acceleration structures
將場景分為底層實例（BLAS）
為每個實例生成底層加速結(jié)構(gòu)
少BLAS更好
將動態(tài)對象保存在它們自己的BLAS中
對動態(tài)對象使用重新裝配
生成頂層加速結(jié)構(gòu)（TLAS）
How do we build the BLAS?
從描述符開始，如圖10所示。
您將能夠重用基于光柵的應(yīng)用程序中使用的數(shù)據(jù)。通常，您可以指向頂點和索引緩沖區(qū)，并訪問完全相同的數(shù)據(jù)。在基于光柵的應(yīng)用程序中，可以使用與每個對象對應(yīng)的任何范圍來描述對象。
Figure 10. Setting up bottom-level acceleration structures
您可以將不同的對象放在一個BLAS中，并使用轉(zhuǎn)換緩沖區(qū)來定位它們，該緩沖區(qū)會將它們烘焙到一個加速結(jié)構(gòu)中。
三角形將被內(nèi)部轉(zhuǎn)換并放置在加速結(jié)構(gòu)的正確位置。
我們構(gòu)建了另一個描述符，它將給我們一些關(guān)于BLAS將是什么的信息。我們需要定義是否能夠更新結(jié)構(gòu)，如圖11所示。
Figure 11. More BLAS setup requirements
Obtain pre-build information
確定產(chǎn)生的加速度結(jié)構(gòu)的尺寸。
scratch數(shù)據(jù)大小描述了加速結(jié)構(gòu)構(gòu)建器在構(gòu)建過程中需要多少內(nèi)存。你需要分配這個內(nèi)存。
在DX12中沒有隱藏的分配；必須顯式地執(zhí)行所有操作。
scratch空間僅在構(gòu)建期間使用。之后，您可以取消分配。
一旦分配了暫存空間，就可以重用所有的描述符。您可以創(chuàng)建另一個帶有更新標(biāo)志的描述符，用于可選的重新安裝。最后，可以構(gòu)建BLAS，這在GPU上發(fā)生得很快。
Build the TLAS
就像處理場景圖一樣，只有兩個級別。
每個實例都有一個ID，它描述了在哪里找到與對象對應(yīng)的著色器，如圖12所示。
Figure 12. Top level acceleration structure setup
再次，我們有一個轉(zhuǎn)變，這次是在TLAS。如果我們想在世界上移動一個完整的底部水平，我們可以使用這個，并有非常快速的重新擬合，而不必接觸實際的幾何。
您遵循與使用BLAS相同的原則，但我們將獲取實例化信息，而不是幾何體。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的视频系列：RTX实时射线追踪（上）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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