实时渲染探索：揭秘Screen Space Ray Tracing

前端

2023-06-07 05:24:04

利用 Screen Space Ray Tracing (SSRT) 技术提升渲染品质

引言：什么是全局光照？

全局光照（GI）是一种照明技术，可模拟光线在场景中的反射和折射，从而产生逼真的照明效果。它包含两个主要组件：“直接光照”和“间接光照”。

什么是 SSRT？

Screen Space Ray Tracing（SSRT）是一种基于屏幕空间的全局光照技术。它通过在屏幕空间中发射射线来计算间接光照，从而在实时渲染中模拟 GI 的效果。

SSRT 的工作原理

渲染场景几何体： 首先，需要渲染场景中的几何体，并将其存储在 G-Buffer 中。G-Buffer 包含每个像素的位置、法线、材质等信息。
发射射线： 接下来，为每个像素发射一条射线，方向由像素的法线决定。射线将穿过场景几何体，直到击中一个物体。
计算遮挡： 当射线击中物体时，需要计算物体对射线的遮挡程度。遮挡越大，间接光照越弱。
叠加光照： 最后，将间接光照与直接光照相加，得到最终光照结果。

SSRT 的效果

SSRT 可产生高度逼真的 GI 效果。与传统光照技术相比，它能更好地模拟光线在场景中的传播，使场景看起来更真实。

SSRT 的局限性

高计算需求： SSRT 需要为每个像素发射射线，因此计算量很高。
场景复杂度： 如果场景几何体过于复杂，SSRT 可能会难以准确计算光线路径。
材质复杂度： 对于材质过于复杂的场景，SSRT 可能会难以模拟光线的反射和折射。

如何使用 SSRT

要使用 SSRT，你需要：

支持 SSRT 的渲染引擎（如 Unreal Engine 4 或 Unity）
SSRT 着色器
用于创建 G-Buffer 的工具

SSRT 的应用场景

建筑可视化
游戏开发
电影特效

结论

SSRT 是一种强大的 GI 技术，可用于渲染逼真的场景。虽然它存在一定的局限性，但它已广泛应用于各个行业。

常见问题解答

SSRT 和传统 GI 技术有何区别？ SSRT 是基于屏幕空间的技术，而传统 GI 技术则在 3D 空间中工作。
SSRT 的计算成本有多高？ SSRT 的计算成本取决于场景的复杂度和采样率。
SSRT 可以用于移动设备吗？ 是的，但由于其较高的计算成本，它可能会影响设备性能。
SSRT 会产生动态 GI 效果吗？ 不，SSRT 通常用于烘焙 GI，以生成静态光照结果。
是否存在 SSRT 的开源实现？ 是的，有许多开源 SSRT 实现可供使用。

代码示例：Unity 中的 SSRT 着色器

Shader "SSRT/SSRT"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Specular ("Specular Intensity", Range(0,1)) = 0.5
        _Shininess ("Shininess", Range(1,255)) = 20
        _AmbientLight ("Ambient Light", Color) = (0.2,0.2,0.2,1)
        _LightDir ("Light Direction", Vector) = (0,-1,0)
        _LightColor ("Light Color", Color) = (1,1,1,1)
    }

    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            struct Input
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct Output
            {
                float4 color : SV_TARGET;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            float _Specular;
            float _Shininess;
            float3 _AmbientLight;
            float3 _LightDir;
            float3 _LightColor;

            Input vert (Input input)
            {
                input.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, input.pos);
                return input;
            }

            Output frag (Input input) : SV_TARGET
            {
                Output output;

                float3 lightDir = normalize(_LightDir);
                float3 normal = normalize(input.normal);
                float diffuse = max(0, dot(lightDir, normal));
                float3 color = _AmbientLight + diffuse * _LightColor * tex2D(_MainTex, TRANSFORM_TEX(input.uv, _MainTex));

                float3 viewDir = normalize(UnityObjectToViewPos(input.pos.xyz));
                float specular = pow(max(0, dot(reflect(-lightDir, normal), viewDir)), _Shininess) * _Specular;
                output.color = color + specular * _LightColor;

                return output;
            }
            ENDCG
        }
    }
}