多分辨率几何表示利用包围盒层级结构进行光线追踪的“原理”

最初发布日期：2022 年 5 月 9 日

原田孝裕 (Takahiro Harada)

Paritosh Kulkarni

Sho Ikeda

引言

细节级别 (LOD) 技术在栅格化领域已不是什么新鲜事物。许多游戏都在使用它并享受其带来的好处。但是，对于光线追踪而言，细节级别技术的好处并非微不足道。例如：

深度较高的次级光线可能不需要非常详细的几何体。在这种情况下，使用粗糙 LOD 的几何体表示进行光线相交/BVH 遍历可能就足够了。拥有粗糙 LOD 的 BVH 会减少次级光线遍历的节点数量和执行的相交测试次数，从而极大地提高性能。
阴影光线和 AO 光线可能不需要非常详细的几何体来进行追踪。许多近似方法，如锥体追踪，已被尝试用于解决此问题。LOD 在此非常有用。

因此，LOD 可以通过减少光线-三角形相交次数和 BVH 中的节点遍历次数来使我们受益，因为几何体的粗糙 LOD 表示自然会拥有更少的三角形，从而更少的 BVH 节点。然而，这并不是一个非常直接的解决方案，因为实现传统的 LOD 方法会引入更多问题。例如：

通常，同一几何体会有多个 LOD 实例。所有这些实例可能无法全部放入 GPU 内存。因此，不在内存中的特定 LOD 实例将在需要时按需加载。这不利于性能，并可能导致加载卡顿等问题。相反，如果我们选择将所有 LOD 实例都保留在内存中，那肯定会增加内存预算。
一旦我们加载了所需的 LOD 实例，我们就需要更新/重建 BVH，这无疑是一项操作量很大的任务。
基于某些参数（例如与原点/摄像机的距离），将选择主光线的 LOD 实例。次级光线应看到完全相同的 LOD 级别。如果我们为次级光线选择不同的级别，则可能看到孔洞伪影。

将 LOD 技术应用于光线追踪的过往尝试

已经有许多尝试将 LOD 技术应用于光线追踪的用例。让我们在此探讨其中的一些。

RLOD 方法

该方法试图通过主成分分析来简化现有的三角形/网格集。根据某些 LOD 误差度量，我们可以在 BVH 的内部节点停止，然后将该节点下的所有图元通过 PCA 近似为平面。然后使用该平面进行相交以获取着色信息。

参考： RLOD: Fast LOD based ray tracing for massive models

局限性

对于具有高度变化 BRDF 的表面，可能无法提供高质量的简化。
LOD 度量无法保证次级光线追踪路径以及每像素计算出的光照中的误差。
基于投影的 LOD 误差度量目前可以处理平面反射和阴影光线，但不能处理折射或非平面反射。因此，不适用于通用路径追踪。

遍历着色器方法

当前的光线追踪管道将遍历和相交视为固定功能操作。对于自定义图元，相交可能是可编程的，但 BVH 的遍历是完全固定的功能操作。此方法试图引入一个可编程的 BVH 节点，该节点将充当 TLAS 中的叶节点。在光线相交时，会调用一个用于与可编程节点相交的遍历着色器。此遍历着色器将包含转换光线、计算 LOD 并选择合适的 BLAS 实例以进行进一步遍历的逻辑。

参考： Flexible Ray Traversal with an Extended Programming Model

局限性