將HLSL射線追蹤到Vulkan

Bringing HLSL Ray Tracing to Vulkan

Vulkan標(biāo)志

DirectX光線跟蹤（DXR）允許您使用光線跟蹤而不是傳統(tǒng)的光柵化方法渲染圖形。這個API是NVIDIA和微軟在2018年創(chuàng)建的。

幾個月后，NVIDIA發(fā)布了其Turing GPU架構(gòu)，在硬件上提供了本地支持，以加速光線跟蹤工作負(fù)載。從那以后，光線追蹤生態(tài)系統(tǒng)一直在穩(wěn)步發(fā)展。多個使用DXR的AAA游戲標(biāo)題已經(jīng)公布和發(fā)布，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的可視化工具。

與DXR一起，NVIDIA發(fā)布了NVIDIA VKRay Vulkan供應(yīng)商擴(kuò)展，并公開了相同級別的光線跟蹤功能。有幾個Vulkan游戲使用NVIDIA VKRay，包括Quake2 RTX、JX3（MMO）和Wolfenstein:Youngblood。

Porting DirectX Content to Vulkan

來自Khronos集團(tuán)的Vulkan API是跨平臺的，可以在不同的平臺和設(shè)備上獲得廣泛的受眾。許多開發(fā)人員將內(nèi)容從DirectX移植到Vulkan，以利用這一更廣泛的市場范圍。但是，移植標(biāo)題需要同時移植API調(diào)用（到Vulkan）和著色器（到SPIR-V）。

雖然大多數(shù)isv可以通過一些合理的努力來移植3D API調(diào)用，但用另一種著色語言重寫HLSL著色器是一項重要的任務(wù)。著色器源代碼可能經(jīng)過多年的發(fā)展。在某些情況下，也會動態(tài)生成材質(zhì)球。因此，將HLSL著色器源代碼轉(zhuǎn)換為SPIR-V供Vulkan執(zhí)行的跨平臺編譯器對開發(fā)人員非常有吸引力。

谷歌開發(fā)的一個這樣的工具是微軟開源DirectXCompiler（DXC）的SPIR-V后端。在過去的幾年中，這個編譯器已經(jīng)成為將HLSL內(nèi)容帶到Vulkan的常見的、生產(chǎn)就緒的解決方案。Khronos最近在一篇文章中討論了在Vulkan中使用HLSL的更多背景，HLSL是一種一流的Vulkan著色語言。

現(xiàn)在，結(jié)合了HLSL和光線跟蹤在Vulkan中的使用，NVIDIA在NVIDIA VKRay擴(kuò)展下的SPV_NV_ray_Tracing擴(kuò)展下為DXC的SPIR-V后端添加了光線跟蹤支持。我們還為多供應(yīng)商擴(kuò)展提供了上游支持，SPV_KHR_ray_tracing。

NVIDIA VKRay example

以下是如何在現(xiàn)有應(yīng)用程序中使用HLSL著色器，該應(yīng)用程序是在NVIDIA工程師Martin Karl Lefran?ois和Pascal Gautron編寫的Vulkan光線跟蹤教程中創(chuàng)建的。

以下代碼顯示了HLSL最近命中著色器，該著色器使用示例應(yīng)用程序中的單點光源計算陰影：

#include “raycommon.hlsl”

#include “wavefront.hlsl”

struct MyAttrib

{

    float3 attribs;

};

struct Payload

{

bool isShadowed;

};

[[vk::binding(0,0)]] RaytracingAccelerationStructure topLevelAS;

[[vk::binding(2,1)]] StructuredBuffer scnDesc;

[[vk::binding(5,1)]] StructuredBuffer vertices[];

[[vk::binding(6,1)]] StructuredBuffer indices[];

[[vk::binding(1,1)]] StructuredBuffer materials[];

[[vk::binding(3,1)]] Texture2D textures[];

[[vk::binding(3,1)]] SamplerState samplers[];

[[vk::binding(4,1)]] StructuredBuffer matIndex[];

struct Constants

{

    float4 clearColor;float3 lightPosition;float lightIntensity;int lightType;

};

[[vk::push_constant]] ConstantBuffer pushC;

[shader(“closesthit”)]

void main(inout hitPayload prd, in MyAttrib attr)

{

// Object of this instance

uint objId = scnDesc[InstanceIndex()].objId;

// Indices of the triangle

int3 ind = int3(indices[objId][3 * PrimitiveIndex() + 0],

                indices[objId][3

• PrimitiveIndex() + 1],

                indices[objId][3
  

• PrimitiveIndex() + 2]);

  // Vertex of the triangle

  Vertex v0 = vertices[objId][ind.x];

  Vertex v1 = vertices[objId][ind.y];

  Vertex v2 = vertices[objId][ind.z];

  const float3 barycentrics = float3(1.0 - attr.attribs.x -

  attr.attribs.y, attr.attribs.x, attr.attribs.y);

  // Computing the normal at hit position

  float3 normal = v0.nrm * barycentrics.x + v1.nrm * barycentrics.y

v2.nrm * barycentrics.z;

// Transforming the normal to world space

normal = normalize((mul(scnDesc[InstanceIndex()].transfoIT

       ,float4(normal,

0.0))).xyz);

// Computing the coordinates of the hit position

float3 worldPos = v0.pos * barycentrics.x + v1.pos *
barycentrics.y

                +

v2.pos * barycentrics.z;

// Transforming the position to world space

worldPos = (mul(scnDesc[InstanceIndex()].transfo,
float4(worldPos,

          1.0))).xyz;

// Vector toward the light

float3 L;

float lightIntensity = pushC.lightIntensity;

float lightDistance = 100000.0;

// Point light

if(pushC.lightType == 0)

{

float3 lDir      = pushC.lightPosition -

worldPos;

lightDistance  = length(lDir);lightIntensity = pushC.lightIntensity / (lightDistance

                 lightDistance);L              =

normalize(lDir);

}

else // Directional light

{

L = normalize(pushC.lightPosition - float3(0,0,0));

}

// Material of the object

int matIdx =
matIndex[objId][PrimitiveIndex()];

WaveFrontMaterial mat = materials[objId][matIdx];

// Diffuse

float3 diffuse = computeDiffuse(mat, L, normal);

if(mat.textureId >= 0)

{

uint txtId = mat.textureId +

scnDesc[InstanceIndex()].txtOffset;

float2 texCoord =v0.texCoord * barycentrics.x +

v1.texCoord * barycentrics.y +

              v2.texCoord

• barycentrics.z;

  diffuse *= textures[txtId].SampleLevel(samplers[txtId],
  texCoord,

        0).xyz;
  

  }

  float3 specular = float3(0,0,0);

  float attenuation = 1;

  // Tracing shadow ray only if the light is visible from the surface

  if(dot(normal, L) > 0)

  {

  float tMin = 0.001;

  float tMax = lightDistance;

  float3 origin = WorldRayOrigin() + WorldRayDirection()

    RayTCurrent();float3  rayDir = L;uint  flags =RAY_FLAG_ACCEPT_FIRST_HIT_AND_END_SEARCH

|

    RAY_FLAG_FORCE_OPAQUE |RAY_FLAG_SKIP_CLOSEST_HIT_SHADER;RayDesc desc;desc.Origin = origin;desc.Direction = rayDir;desc.TMin = tMin;desc.TMax = tMax;Payload shadowPayload;shadowPayload.isShadowed = true;TraceRay(topLevelAS,flags,0xFF,0,0,1,desc,shadowPayload);if(shadowPayload.isShadowed){attenuation = 0.9;}else{// Specularspecular = computeSpecular(mat,

WorldRayDirection(), L, normal);

}

}

prd.hitValue = float3(lightIntensity * attenuation * (diffuse
+

specular));

}

Translating to SPIR-V

以下是轉(zhuǎn)換中幾個有趣的部分：

資源綁定

入口點

入口點參數(shù)

轉(zhuǎn)換為本義

ShaderBufferRecord（也稱為用戶SBT數(shù)據(jù)

Resource binding

在遮擋陰影的頂部，HLSL中有一個用于光線跟蹤的新基本類型聲明：

[[vk::binding(0,0)]] RaytracingAccelerationStructure topLevelAS;

DirectX使用全局路徑簽名作為資源綁定的機(jī)制。對于Vulkan，[[vk：：binding]]是一個特殊的注釋，用于設(shè)置資源的綁定點和描述符集位置。此注釋將分別轉(zhuǎn)換為SPIR-V綁定和描述符集修飾，生成DXIL時將忽略這些修飾。

您還可以繼續(xù)使用register（xX，spaceY）語義，該語義將映射到綁定和描述符集裝飾。有關(guān)注釋和映射的完整列表的信息，請參閱HLSL到SPIR-V功能映射手冊。

RaytracingAccelerationStructure直接映射到SPIR-V操作碼

OpTypeAccelerationStructureNV/OpTypeAcccelerationStructureKHR。

Entry points

著色器入口點類似于以下代碼示例：

[shader(“closesthit”)]

void main(inout hitPayload prd, in MyAttrib attr)

DXR HLSL著色器不使用特定的配置文件進(jìn)行編譯，而是編譯為著色器庫（lib_6_*profiles）。這允許在單個文件中顯示不同光線跟蹤階段的數(shù)百個入口點。要指定特定階段，請使用以下注釋：

[shader(“”)]

如果可以是以下任何值，請使用它：

raygeneration, intersection, closesthit, anyhit, miss

這些著色器庫被轉(zhuǎn)換為SPIR-V，在單個blob中具有多個入口點。對于上述入口點，SPIR-V代碼如下所示：

OpEntryPoint ClosestHitNV %main “main” %gl_InstanceID %gl_PrimitiveID %5 %6 %7

Entry point arguments

void main(inout hitPayload prd, in MyAttrib attr)

DXR HLSL為光線跟蹤階段的每個入口點的參數(shù)數(shù)量和類型指定特定的規(guī)則。例如，在最近的命中著色器中，兩個參數(shù)都必須是用戶定義的結(jié)構(gòu)類型。第一個表示有效負(fù)載，第二個表示命中屬性。DXR規(guī)范概述了一整套規(guī)則。

SPIR-V不允許著色器入口點具有參數(shù)。在轉(zhuǎn)換過程中，將這些變量添加到全局范圍，存儲類分別為IncomingRayPayloadNV/IncomingRayPayloadKHR和hittattributenv/hittattributekhr。轉(zhuǎn)移也要注意恰當(dāng)?shù)妮斎胼敵稣Z義。

Translation of intrinsics

系統(tǒng)值內(nèi)部函數(shù)（如InstanceIndex（）到SPIR-V內(nèi)置函數(shù)）有一對一的映射。有關(guān)映射的完整列表的詳細(xì)信息，請參閱HLSL到SPIR-V功能映射手冊。HLSL中的矩陣intrinsics ObjectToWorld3x4（）和WorldToObject3x4（）沒有到SPIR-V內(nèi)置的直接映射。對于這些，請使用原始的非轉(zhuǎn)置SPIR-V內(nèi)置項，并在轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)置結(jié)果。

HLSL中的TraceRay（）內(nèi)部函數(shù)使用特定的預(yù)分離結(jié)構(gòu)類型RayDesc。此類型填充了光線的幾何信息，如原點、方向、參數(shù)最小值和最大值。optraceenv/OpTraceRayKHR操作需要將這些參數(shù)中的每一個作為單獨的參數(shù)。下面的代碼示例在轉(zhuǎn)換期間按如下方式解壓縮RayDesc結(jié)構(gòu)。

OpTraceNV %245 %uint_13 %uint_255 %uint_0 %uint_0 %uint_1 %244 %float_0_00100000005 %192 %191 %uint_0OpTraceRayKHR %245 %uint_13 %uint_255 %uint_0 %uint_0 %uint_1 %244 %float_0_00100000005 %192 %191 %uint_0

TraceRay（）是模板化的內(nèi)部函數(shù)，最后一個參數(shù)是有效負(fù)載。SPIR-V中沒有模板。OpTraceNV/OpTraceRayKHR通過提供RayPayloadNV/RayPayloadKHR修飾變量的位置號來繞過此限制。這允許不同的調(diào)用使用不同的有效負(fù)載，從而模擬模板功能。在轉(zhuǎn)換過程中，RayPayloadNV/RayPayloadKHR在執(zhí)行copy-in和copy-out數(shù)據(jù)時生成具有唯一位置號的修飾變量，以保留TraceRay（）調(diào)用的語義。

ShaderBufferRecord（也稱為用戶SBT數(shù)據(jù)）

NVIDIA的光線跟蹤VKRay擴(kuò)展允許使用著色器記錄緩沖區(qū)塊對光線跟蹤著色器中的著色器綁定表（SBT）中的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行只讀訪問。有關(guān)更多信息，請參見Vulkan 1,2規(guī)范。在HLSL著色器中無法直接訪問SBT數(shù)據(jù)。

若要公開此功能，請將[[vk::shader_record_nv]]/[[vk::shader_record_ext]]注釋添加到ConstantBuffer/cbuffers聲明：

struct S { float t; }

[[vk::shader_record_nv]]

ConstantBuffer cbuf;

DXR為SBT中存在的每個著色器的綁定資源引入了本地根簽名。我們沒有在SPIR-V級別模擬本地根簽名并在應(yīng)用程序上強(qiáng)制執(zhí)行一些契約，而是提供了對SBT內(nèi)部用戶數(shù)據(jù)部分的訪問。這與支持VK_EXT_descriptor_indexing及其相應(yīng)的SPIR-V功能RuntimeDescriptorArrayEXT一起，可以實現(xiàn)與本地根簽名相同的效果，同時保持靈活性。下面是一個代碼示例：

[[vk::binding(0,0)] Texture2D gMaterials[];

struct Payload { float4 Color; };

struct Attribs { float2 value; };

struct MaterialData { uint matDataIdx; };

[[vk::shader_record_nv]]

ConstantBuffer cbuf;

void main(inout Payload prd, in Attribs bary)

{

Texture2D tex = gMaterials[NonUniformResourceIndex(matDataIdx)]prd.Color += tex[bary.value];

}

根據(jù)我們的經(jīng)驗，這種機(jī)制與大多數(shù)DXR應(yīng)用程序使用SBT的方式相當(dāng)吻合。與模擬本地根簽名的其他潛在方法相比，從應(yīng)用程序方面處理它也更簡單。

Generating SPIR-V using the Microsoft DXC compiler

通過運(yùn)行以下命令，可以將早期的HLSL代碼轉(zhuǎn)換為針對KHR擴(kuò)展的SPIR-V：

dxc.exe -T lib_6_4 raytrace.rchit.hlsl -spirv -Fo raytrace.rchit.spv -fvk-use-scalar-layout

要瞄準(zhǔn)NV擴(kuò)展，請運(yùn)行以下命令：

dxc.exe -T lib_6_4 raytrace.rchit.hlsl -spirv -Fo raytrace.rchit.spv -fvk-use-scalar-layout -fspv-extension=“SPV_NV_ray_tracing”

使用的選項如下：

-T lib_6_4:使用標(biāo)準(zhǔn)配置文件編譯光線跟蹤著色器。

-SPIR V：在SPIR-V中生成輸出。

-Fo：從生成輸出文件。

差不多了！您可以在源代碼中插入生成的SPIR-V blob，并查看它是否按預(yù)期運(yùn)行，如圖2所示。如果您比較從HLSL或相應(yīng)的GLSL生成的SPIR-V，它看起來非常相似。

Conclusion

NVIDIA VKRay擴(kuò)展具有DXC編譯器和SPIR-V后端，通過HLSL在Vulkan中提供與DXR中當(dāng)前可用的相同級別的光線跟蹤功能。現(xiàn)在，您可以使用DXR或NVIDIA VKRay開發(fā)光線跟蹤應(yīng)用程序，并使用最小化的著色器重新編寫來部署到DirectX或Vulkan api。

我們鼓勵您利用這種新的靈活性，并通過將光線跟蹤標(biāo)題帶到Vulkan來擴(kuò)展您的用戶群。

References

· VK_NV_ray_tracing

· VK_KHR_ray_tracing

· GLSL_NV_ray_tracing

· GLSL_EXT_ray_tracing

· DXC documentation for NV_ray tracing, KHR_ray_tracing

· HLSL shaders for the tutorial

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的将HLSL射线追踪到Vulkan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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