提到游戲使用的實時渲染，很多人都會覺得光柵化渲染是唯一的方法，而想要在游戲中使用實時的光線追蹤，似乎還是遙遠(yuǎn)的夢想。

雖然整體的光線追蹤實時渲染架構(gòu)以及相關(guān)硬件還在試驗階段，但從2016GDC的技術(shù)展示來看，游戲開發(fā)者在實踐中已經(jīng)找到了不少能利用現(xiàn)有架構(gòu)實現(xiàn)光線追蹤的小技巧，光線追蹤技術(shù)已經(jīng)悄悄地開始在游戲開發(fā)中發(fā)揮作用了。

光線追蹤的優(yōu)點自不用說，容易理解、實現(xiàn)簡單、支持體積渲染，況且還有shadertoy上那么多使用光線追蹤制作的眩目效果。但問題是光線追蹤和現(xiàn)有的游戲引擎架構(gòu)不統(tǒng)一，而且實時運行的效率不高，如果要做體積渲染還存在如何存儲和采樣體積數(shù)據(jù)的問題。

下面的內(nèi)容會介紹一些在現(xiàn)有游戲引擎里針對這些問題解決方案。

減少計算量

首先光線追蹤在實時運行時最大的問題是對PixelShader的壓力太大，shadertoy中很多代碼都在PixelShader中循環(huán)幾十上百次，顯然在真實開發(fā)中很難使用這樣的代碼。

這里介紹一種使用VertexShader進(jìn)行光線追蹤的思路，以制作實時溶球作為例子。

直接實現(xiàn)的思路是建立溶球的Distance Field，在PixelShader中從視點開始推進(jìn)光線，循環(huán)直到Distance Field為0，達(dá)到溶球表面，然后計算反射折射等。這樣的方法，在PixelShader中至少需要十幾次循環(huán)才能trace到溶球表面。
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改進(jìn)思路是將光線追蹤代碼移到VertexShader中，在Mesh的每個頂點進(jìn)行光線追蹤計算，按照光線追蹤的結(jié)果進(jìn)行頂點變形。如圖中，使用一個球形的Mesh做頂點變形，每個頂點的位置按照光線追蹤的結(jié)果向內(nèi)收縮，直到溶球表面。
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如果選擇合適的球形Mesh大小和位置，收縮的步驟可以小到三次以內(nèi)。這個方法同時減少了光線追蹤的循環(huán)次數(shù)，也減輕了PixelShader的壓力。完全可以在移動平臺上運行。
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實時光線追蹤的溶球，左：添加反射，右：添加折射和深度

另一種減少計算量的方法就是Dithering，在獨立游戲Inside中的體積光渲染就使用了這種的技術(shù)。

在我的另外一篇游戲開發(fā)相關(guān)實時渲染技術(shù)之體積光描述過高質(zhì)量的體積光渲染應(yīng)該使用光線追蹤的方法。問題在于優(yōu)質(zhì)的體積渲染需要的循環(huán)次數(shù)可能會達(dá)到一百次以上，如果循環(huán)次數(shù)降低到一定程度會因為采樣數(shù)不足，會造成條紋狀瑕疵。

這里的改進(jìn)思路是，在光線追蹤的起點添加隨機(jī)噪音，這樣QQ靚號轉(zhuǎn)讓平臺條紋狀瑕疵會變成更加隨機(jī)的噪點。之后再添加一層模糊或者是抗鋸齒，這樣整體的瑕疵感就會明顯減少。

左：條紋狀瑕疵，中：隨機(jī)噪點，右：抗鋸齒模糊

這種方法的缺點就是渲染的對象會顯得比較模糊，不過用于體積光這種本身就不是很清晰的渲染對象倒是很適合。

體積貼圖

光線追蹤重要的應(yīng)用之一就是體積渲染。shadertoy中的體積渲染大多是使用隱式參數(shù)方程和實時算法生成噪音來制造體積的Distance Field。這種方法對于不熟悉數(shù)學(xué)的人來說難度有點大，也不適合美術(shù)人員創(chuàng)作。所以體積渲染時最常用的還是用Houdini等軟件生成體積貼圖。

目前主流游戲引擎還沒有全面支持3DTexture，所以我們要用體積切片的方法模擬3DTexture。Houdini和Blender都有方法渲染體積切片。渲染好的切片按照順序組成一張平鋪貼圖。
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在采樣的時候，先確定采樣點的所處z軸位置上下兩張貼圖，在uv位置采樣兩次，然后通過z軸lerp兩個采樣數(shù)據(jù)，就可以得到采樣點的密度數(shù)據(jù)了。

引擎集成

將光線追蹤的體積渲染集成到游戲引擎中會有兩個問題。

第一是作為體積渲染的載體Mesh。片面Mesh肯定是不合適的，因為轉(zhuǎn)一個角度可能就看不到了，應(yīng)該選擇閉合的Mesh。這個Mesh應(yīng)該仿照天空球方法，法線向內(nèi)，因為如果法線向外，進(jìn)入Mesh內(nèi)部就沒辦法顯示了。

第二是和場景現(xiàn)有物體的遮擋問題。解決方案是獲得場景的深度信息，做光線追蹤的時候反過來從場景的深度位置向視點進(jìn)行追蹤，這樣就能完美實現(xiàn)遮擋了。如果做正向光線追蹤就需要在每次循環(huán)的時候檢查一下深度信息，做無謂的消耗。
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圖：使用反向法線和場景深度信息制作的體積渲染 與50位技術(shù)專家面對面20年技術(shù)見證，附贈技術(shù)全景圖

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的游戏中的实时光线追踪技术与技巧的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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