虚幻4渲染编程（光线追踪篇）【第四卷：Realtime Raytracing In UE4】

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INTRODUCTION：

【1】 realtime raytracing overview

我们渲染一个东西需要一个渲染管线，渲染管线就是一系列操作把输入的数据渲染成最终的图片。最开始我们使用固定管线，然后再发展到可编程管线，其实还是相对固定的，我们只能控制整个渲染管线的一部分比如VS，PS，GS等，大部分流水线的逻辑都是焊死在硬件里的。来看下传统可编程管线：

把这些逻辑做在硬件里的一个考虑其实是为了加速，同理如果要做实时光线追踪，我们就需要有足够的速度，所以2018年的时候英伟达那帮人推出了比较民用的RTX显卡，把光线追踪的逻辑焊死到显卡里，我们开发者能做的就只能是使用他们暴露出来的接口来编写我们的东西。优点就是速度快，缺点也很明显，自由度低，如果想要改什么功能需要硬件支持，需要微软的DX支持。这次在API层面对DX12的改进，主要是加入了一个全新的管线专门执行光线追踪的任务。以后让GPU发起任务的方式除了现有的光栅化渲染，和通用计算（CS）以外，还新加入了一个追踪光线的调用。新的光线追踪管线如下：

把上面红框框起来的的步骤展开，场景和光线的交互这步可以被分为以下阶段：

上述的所有过程都是固定的，我们可以控制的部分为蓝色线框框起来的部分。

整条管线的具体组成单元：

发起光线：

新D3D函数： ID3D12CommandList::DispatchRays()

新Shader类型:Ray Generation Shader

新HLSL函数：TraceRay()

Ray Generation Shader：定义一条光线如何产生，开始整个光线追踪过程。一个pass只执行一次。

光线的遍历与求交

遍历加速结构(Acceleration Structures)

新Shader类型： Intersection Shader。Intersection Shader定义光线如何和物体交互。

交点处理

Hit Group : 由Closest Hit, Any Hit, Intersection三种Shader构成。都不是必须的Shader，可选择调用

Intersection Shader：用于自定义几何体与射线求交，三角形与射线求交无需使用（内置）通过调用ReportHit()报告交点，同时传递Attributes给Hit Shaders

Any Hit Shader：射线有任一交点时被触发(不保证触发顺序)

Closest Hit Shader：针对最近的有效交点触发，每条射线最多调用一次

判断交点的有效性，计算光照，继续发射光线等

无交点处理

Missing Shader：定义光线没有追踪到物体时的逻辑。终止或继续发射光线

DXR综述：

逻辑层由ID3D12CommandList::DispatchRays()发起

HLSL函数TraceRay()

由Ray Generation Shader产生我们需要的光线，是追踪管线的开始，一个pass只会执行一次。类似程序的main函数。调用TraceRay发起下一个阶段。

Shader table

着色器表 (Shader Table)包含了一次光线追踪中可能用到的所有资源，由多条等长的记录构成，每条记录可包含ShaderID,CBV,UAV,SRV等。顶层加速结构中的节点指向着色器表中的对应记录。

在一个游戏场景里，往往都有很多材质，所以这时候就需要很多不同的Shader来渲染他们。所以需要一个方法来让光线打到物体上以后，我们能正确的找到这个物体身上对应的shader来渲染它们。ShaderTable会记录下场景中物体的shader，当光线打到集合体上时，会通过shadertable来查找对应的shader。

【2】Hello realtime raytracing in unreal engine4

经过上几节的研究，下面就可以开始研究实时光线追踪了。为什么可以实时呢，因为运算速度够快所以可以实时。因此需要准备一块支持RTX的显卡。因为是在Unreal中研究所以还需要4.22以上的版本，并且按照文档打开Tracing设置。

https:// docs.unrealengine.com/e n-US/Engine/Rendering/RayTracing/index.html

完成设置后你就能看到：

Unreal帮我们封装了一套RHI接口方便跨平台等功能，但其实还是要管理各种资源，比起直接敲DX12要更方便一点点（其实也没方便多少）。

MAIN CONTENT：

在UE中写实时光线追踪还是和以前的可编程管线类似分为两部分的编程，一部分是C++，一部分是HLSL。

GPU部分

这里可以找到一个比较好的简单范例，我们找到RayTracingDebug.usf，先来找到Ray Generation Shader，这个shader作为一次光线追踪的起始函数，它和DX里的写法没有什么不同，最多就是Unreal帮忙封装了一点点逻辑。和标准写法一样，首先用[shader("raygeneration")]声明它是Ray Generation Shader，然后准备加速结构和光线位置生成光线，然后调用TraceRayInternal开始光线追踪。

当光线Hit到物体后开始执行Closest Hit Shader。Hitshader也和DX里的写法几乎没有什么区别

将hit结果写入到PlayLoad里。这里会发现有一个PackRayTracingPayload，我们找到RayTracingCommon你会发现

这里在把PlayLoad数据打包压缩，这么做的目的是因为PlayLoad数据的大小是有规定的必须是float32。

MissShader在DebugRaytracing里就简单了，直接输出-1

下面可以做一个简单的测试，在PlayLoad的HitT判断后加入如下逻辑

如果执行了missshader，那么就返回绿色。打开debug面板我们就能看到RaytracingDebug.usf的修改效果了。

修改前：

修改后：

CUP部分

找到RaytracingDebug.cpp可以发现实时光线追踪的shader声明方法和像素着色器顶点着色器的声明非常类似，unreal帮我们封装好了一些麻烦的desc声明等等。

Ray Generation Shader

Missing Shader

HitGroup

Unreal把那几个hitshader打包在一起用SF_RayHitGroup来声明。可以看到还是十分简单方便的（我再也不想去碰DX那堆恶心的desc声明了）。这里需要注意的是，虽然在RaytracingDebug里声明了missshader和ClosesrHitshader，但是RaytracingDebug真正并没有使用它们。

在管线里根本就没有绑定它们

因此在RaytracingDebug里执行的hitshader其实是RaytracingMaterialHitShaders.usf里的

这部分shader的绑定发生在BuildRaytracingMeshCommand里

想要使用自己的ClosestHitShader或者AnyhitShader的话就需要在构建ShaderTable的地方做修改才行。

我在RaytracingMaterialHitGroup中做如下修改，把HitShader改为我们的

这样就可以替换Hitgroup成我们自己定义的了。

现在了解了实时光线追踪的结构，下面我们就可以开始动手做一些练习了。下面就在实时光线追踪里做个简易的shading，这里我只做了直接光的BRDF计算。

首先在RayTracingDebug.usf中包含ShadingModels.usf

然后在RayTracingDebugMainRGS中，在光线发射之后，我们从playload中拿各种渲染数据然后evaluateBxDF

然后来到引擎，打开raytracingdebug即可。

可以看到实时光线追踪的整个流程比光栅化渲染简单多了（当然是因为英伟达帮我们把什么事情都做了的结果）。至此我们完成了初步的光线追踪定制。

SUMMARY AND OUTLOOK：

感觉在Unreal中写实时光线追踪和在DX里写没太大差别，反而在Unreal里写会更好一些，引擎帮我们封装了一些体力活的东西，我们只需要专注核心的就可以了。英伟达的RTX让图形难民也能玩实时光线追踪，门槛已经下降到几乎没有了（手动滑稽）。Enjoy it。

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YivanLee：虚幻4渲染编程（光线追踪篇）【第五卷：RayMarching In Raytracing】