Vulkan Ray Tracing

Vulkan 光线追踪

光线追踪 (Ray Tracing) 是一种渲染技术，它通过模拟光线在场景中的传播路径来生成图像。与传统的栅格化 (Rasterization) 渲染不同，光线追踪能够更真实地模拟光照效果，例如反射、折射、阴影和全局光照。近年来，随着硬件性能的提升，光线追踪逐渐成为主流渲染技术之一。光线追踪

Vulkan 是一个低开销、高性能的图形和计算 API，它为开发者提供了对 GPU 硬件的精细控制。Vulkan 提供了对光线追踪的支持，使得开发者能够利用 GPU 的强大计算能力来实现高质量的光线追踪渲染。本文将深入探讨 Vulkan 光线追踪，面向初学者，详细介绍其原理、实现方法和关键概念。

光线追踪原理

光线追踪的核心思想是从摄像机出发，向场景中发射光线，并追踪这些光线与场景中物体的交互。当光线与物体相交时，根据物体的材质属性计算光线的颜色和强度。这个过程会递归进行，模拟光线的反射、折射和散射，最终得到图像的像素颜色。

光线追踪的主要步骤包括：

1. 光线生成 (Ray Generation): 从摄像机位置向场景发射光线。 2. 光线与场景的相交测试 (Ray-Scene Intersection): 确定光线是否与场景中的任何物体相交。 3. 着色 (Shading): 根据光线与物体的相交点、物体的材质属性和光源信息计算光线的颜色和强度。 4. 递归追踪 (Recursive Tracing): 对于反射和折射光线，递归地重复步骤 2 和 3，直到达到最大递归深度。

光线-球体相交测试是光线追踪中最常见的相交测试之一。高效的相交测试算法对于光线追踪的性能至关重要。

Vulkan 光线追踪扩展

Vulkan 通过一系列扩展来支持光线追踪。这些扩展包括：

VK_KHR_ray_tracing_pipeline: 定义了光线追踪管道 (Ray Tracing Pipeline) 的创建和使用。
VK_KHR_shader_binding_table: 定义了着色器绑定表 (Shader Binding Table, SBT) 的结构和管理。
VK_KHR_acceleration_structure: 定义了加速结构 (Acceleration Structure) 的创建和使用。

加速结构是光线追踪性能优化的关键。它是一种空间数据结构，用于加速光线与场景的相交测试。常见的加速结构包括 BVH (Bounding Volume Hierarchy) 和 KD-Tree。

Vulkan 光线追踪管道

Vulkan 光线追踪管道与传统的图形管道有所不同。它由以下几个阶段组成：

1. 光线生成着色器 (Ray Generation Shader): 生成初始光线。 2. 相交着色器 (Intersection Shader): 处理光线与物体的相交。 3. Any-Hit 着色器 (Any-Hit Shader): 在光线与物体相交之前进行测试，可以用于实现一些特殊效果，例如透明度。 4. Closest-Hit 着色器 (Closest-Hit Shader): 处理光线与物体最近的相交点。 5. Miss 着色器 (Miss Shader): 处理光线没有与任何物体相交的情况。

这些着色器使用 HLSL (High-Level Shading Language) 或 GLSL (OpenGL Shading Language) 编写，并编译成 SPIR-V (Standard Portable Intermediate Representation) 格式。SPIR-V

着色器绑定表 (SBT)

着色器绑定表 (SBT) 是 Vulkan 光线追踪中的一个重要概念。它是一个包含着色器指针和数据的数组，用于将着色器与光线追踪管道连接起来。SBT 包含以下信息：

光线生成着色器指针: 指向光线生成着色器的指针。
相交着色器指针: 指向相交着色器的指针。
Any-Hit 着色器指针: 指向 Any-Hit 着色器的指针。
Closest-Hit 着色器指针: 指向 Closest-Hit 着色器的指针。
Miss 着色器指针: 指向 Miss 着色器的指针。
光线有效载荷 (Ray Payload): 包含光线信息的结构体，例如光线的原点、方向和颜色。
着色器数据 (Shader Data): 包含着色器所需的数据，例如物体的材质属性。

SBT 的构建和管理是 Vulkan 光线追踪中的一个复杂过程。

加速结构 (Acceleration Structure)

加速结构是光线追踪性能优化的关键。它是一种空间数据结构，用于加速光线与场景的相交测试。常见的加速结构包括 BVH (Bounding Volume Hierarchy) 和 KD-Tree。

Vulkan 提供了两种类型的加速结构：

Top-Level Acceleration Structure (TLAS): 用于存储场景中所有物体的实例。
Bottom-Level Acceleration Structure (BLAS): 用于存储单个物体的几何信息。

构建加速结构需要消耗大量的计算资源。Vulkan 提供了异步构建加速结构的功能，可以利用 GPU 的空闲时间来构建加速结构，从而减少渲染延迟。GPU 渲染

Vulkan 光线追踪示例代码片段

以下是一个简单的 Vulkan 光线追踪示例代码片段，用于创建一个加速结构：

```c++ VkAccelerationStructureCreateInfoKHR createInfo = {}; createInfo.sType = VK_STRUCTURE_TYPE_ACCELERATION_STRUCTURE_CREATE_INFO_KHR; createInfo.flags = VK_ACCELERATION_STRUCTURE_FLAG_ALLOW_UPDATE_BIT; createInfo.type = VK_ACCELERATION_STRUCTURE_TYPE_BOTTOM_LEVEL_KHR; createInfo.geometryCount = 1; createInfo.geometryInfos = &geometryInfo; createInfo.pNext = nullptr;

VkAccelerationStructureKHR accelerationStructure; vkCreateAccelerationStructureKHR(device, &createInfo, nullptr, &accelerationStructure); ```

光线追踪的优化技巧

光线追踪的计算量非常大，因此需要进行优化才能获得良好的性能。以下是一些常用的光线追踪优化技巧：

加速结构优化: 选择合适的加速结构类型，并优化加速结构的构建参数。
光线采样优化: 减少光线的数量，例如使用自适应采样。
着色器优化: 优化着色器的代码，减少计算量。
缓存优化: 利用缓存来减少内存访问延迟。
去噪 (Denoising): 使用去噪算法来减少光线追踪产生的噪点。去噪算法

光线追踪的应用场景

光线追踪可以应用于各种场景，包括：

电影特效: 生成逼真的电影特效。
游戏渲染: 提高游戏画质。
建筑可视化: 创建逼真的建筑可视化效果。
产品设计: 创建逼真的产品设计效果。
科学可视化: 可视化科学数据。

Vulkan 与 DirectX Raytracing (DXR) 的比较

Vulkan 和 DirectX Raytracing (DXR) 都是支持光线追踪的 API。它们的主要区别在于：

平台支持: Vulkan 是跨平台的，而 DXR 仅支持 Windows 平台。
API 设计: Vulkan 的 API 设计更加底层，提供了更多的控制权，但也更加复杂。DXR 的 API 设计更加高级，易于使用。
性能: 在某些情况下，Vulkan 的性能可能优于 DXR，因为它可以更好地利用 GPU 硬件。

总结

Vulkan 光线追踪是一种强大的渲染技术，可以生成高质量的图像。虽然实现起来比较复杂，但通过理解其原理和优化技巧，开发者可以利用 Vulkan 的强大功能来实现逼真的光线追踪渲染。

进一步学习

风险提示

光线追踪的计算量大，对硬件要求高。在进行光线追踪开发时，需要考虑硬件性能和优化策略。

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