SU渲染中，实时光线追踪是如何实现的？D5 Fusion 技术分享

一个不大不小的挑战
要把任何形式的3D模型渲染出媲美照片的效果，全局光照 Global Illumination 都是绕不开的话题。如何在各个时期的硬件条件之下，开发出更高效的全局光照算法，一直以来是计算机图形学中不大不小的挑战。光线追踪的探索从1968年开始，发展至今其实已经非常成熟。离线渲染器经过多年的发展，已经非常好的融入了建筑室内设计的工作流程当中。
D5团队希望在此基础上再推进，设计开发一款基于物理真实光线追踪的实时GI渲染器。不仅拥有实时渲染器毫秒级的渲染效率和交互体验，同时得到离线渲染器一般逼真的渲染结果。帮助设计师更简单高效的表达自己的设计创意。

说明：实时渲染，点击渲染按钮/空格键进入rtx效果
我们做了什么
首先，我们为 D5 Fusion 设计了两套GI方案，来满足用户对于高品质效果图和交互式3D渲染的需求。
第一套方案中，我们利用UE4渲染引擎本身优秀的光栅化渲染和完整的材质系统，高效的计算直接光照给建筑场景带来的效果。同时加入path tracing算法，为每个像素进行500spp随机采样的多次路径追踪，来计算间接光源对于每个像素的影响。这是一套将暴力算法和优（pian）化（ren）算法相结合的混合方案。这个混合方案一方面保证了渲染的速度，另一方面也保证了图片光感的物理正确。
为了进一步加速计算过程，D5 Fusion 的降噪部分使用了AI降噪技术。Ai加速的降噪技术通过数万优质渲染图的训练，大幅提高速度，数秒内完成降噪过程，并且规避了样本不足造成的边缘锯齿和噪点。
与其他宣称「优化了」path tracing算法的实时渲染产品不同的是，我们并不规避这种暴力算法来尽力追求最好的效果。随着英伟达RTX系列显卡的发布（还有GTX系列显卡的驱动支持的情况下），我们可以充分利用硬件中RT Core对于这种算法的支持。原本占到路径追踪绝大部分计算量的光线求交，只能哼哧哼哧的计算。而如今这部分的计算可以从硬件底层加速。一个具有可比性的例子是，专门为比特币设计的矿机，可以以百倍的算力挖矿。而曾经使用GPU甚至CPU挖矿的人，则回到了石器时代，退出了历史舞台。
通过使用 光栅化处理直接光照、RT Core 加速路径追踪和AI加速的实施降噪，这套 GI 方案的 4k 图渲染时间大约已经降低到两分钟左右。以往需要等待一顿饭时间才能看到的效果，现在可以在接杯水的时间里完成。

当然，这套方案还需要一些微调。另外对于材质系统的优化也有大量的工作要做。
从3月中完成这个部分的产品开发后，有很多用户积极地参与了我们的内测。我们自己也做了很多测试案例，一一记录渲染表现和不足之处来更好地优化Fusion。
于是我们想，既然记录了，那不如公开他们，让更多人了解这项技术的应用、进步和发展，也欢迎专业人士对我们的建议和指正，共同帮助Fusion茁壮成长。
下面是我们使用 D5 Fusion 第一套 GI 方案所做的案例。
另外选择了静态渲染器VRay，实时渲染软件Lumion和插件Enscape作为参照。（选用了 ccaxx、黄豆豆二位老师的作品作为参考素材，在此致谢～
VRay - 案例样图

Lumion
来源：sketchup bar | 作者：ccaxx

Enscape
来源：sketchup bar | 作者：黄豆豆

D5 Fusion



简要分析
光感方面：
☑️整体光感比较好，柔和，曝光度适宜
⭕️相比于效果最好的vray，明暗细节不够丰富，过渡还不够自然，有光照的地方相对较曝，没有光照的暗部过于深，有一部分细节丢失

⭕️目前使用的lighting shaft方式产生的光束效果仅在一定角度才能显示

材质表现方面：
☑️木纹和布艺很真实
⭕️如使用自定义贴图（即SU默认贴图），金属质感没有很强，特别是做旧和拉丝纹理没有体现
这边使用了一个小技巧，用了D5 Fusion自带材质库的金属材质，质感表现就较好

❌玻璃材质有明显的问题，没有表现出反射和折射的光感
玻璃材质与普通材质不同，需要同时计算内表面与外表面的效果进行叠加。这个问题将会在近期的更新中解决

接下来我们会做什么
首先优先解决玻璃材质质感的问题。折射是一个相对独立的部分，玻璃材质的折射目前还是沿用光栅化的技术，这一细节的光线追踪运用尚处于开发阶段，到时候也会第一时间跟大家分享成果和技术原理～
其次，我们会在本周更新 D5 Fusion 的第二套 GI 方案，也就是「实时光线追踪 GI」。我们也会在下一篇blog当中为大家讲述这部分的我们的解决方案，并且展示一些案例和对比。
另外，NVidia于上周更新了显卡驱动，为GTX 1060以上的显卡带来了实时光线追踪的加速支持。我们在第一时间做了一些测试工作，会尽快在产品中加入支持。
欢迎积极与我们互动～