NVIDIA的黑科技3：VXGI體素全局光照
每一個行業(yè)都有自己的“圣杯”，例如能源方面的核聚變、醫(yī)藥方面的癌癥特效藥以及空間探索方面的超光速推進力。 任何領(lǐng)域中“圣杯”的定義都是難以實現(xiàn)和代價高昂的，或者完全是科幻產(chǎn)物。也許這就是我們之所以對此心馳神往的原因所在。
計算機圖形領(lǐng)域的“圣杯”就是“實時全局光照”。全局光照是一種渲染游戲環(huán)境的方法，它通過模擬光線的行為，從而體現(xiàn)各個表面之間的光線反射效果。然而以光子級別進行自然仿真處理是一項代價高昂的事業(yè)，電影中僅僅是有選擇地利用全局光照來渲染復(fù)雜的CG場景，就是因為這個原因。
這一情況即將有所改變。憑借次世代Unreal Engine 4（虛幻4）引擎，游戲?qū)⑹状尉邆鋵崟r全局光照渲染效果。而這項技術(shù)是由NVIDIA圖形工程師與EPIC開發(fā)者共同完成的，NVIDIA將其稱為Voxel Global Illumination（VXGI，立體像素全局光照）。
● 什么是全局光照？它為什么對游戲逼真度來說如此重要？
首先來看一組對比截圖：
傳統(tǒng)直接光照效果
全局光照效果
區(qū)別很明顯吧？通俗的講，直接光照就是簡單的模擬一個或多個光源的照射效果，在相應(yīng)的位置投射出光和影；而全局光照就是考慮到了光線的直射與盡可能多的漫反射效果，最終呈現(xiàn)出來的光影效果更接近于現(xiàn)實世界。
全局光照指的是對場景周圍光線反射的計算。全局光照負責(zé)制作出現(xiàn)實環(huán)境中的許多細微著色特效、氣氛以及有光澤的金屬反射效果。自1995年在虛幻1中采用實時直接光照以來，虛幻4引擎中的實時全局光照是在光照方面實現(xiàn)的最大突破！
● 在沒有全局光照技術(shù)之前，游戲是如何實現(xiàn)更逼真光影效果的？
也許有人會說了，現(xiàn)有的游戲其實光影效果還是不錯的，并不像上圖1所示那么差。沒錯，上圖的對比是比較直接的、沒有附加特效的，其實游戲中還有其它的方法來提高畫面真實度，最常見的就是Ambient Occlusion（AO，環(huán)境光遮蔽）技術(shù)。
目前非常先進的水平環(huán)境光遮蔽技術(shù) (Horizon Based Ambient Occlusion，HBAO)
但不管是什么級別的AO，都是對光照與陰影的一種模擬，可以說是預(yù)處理，開發(fā)者認為此處的陰影的顏色應(yīng)該深一些、或者淺一些、或者柔和一些，所以才會加上去的，而不是通過復(fù)雜的光影算法來直接生成的。
● 喜歡濃妝艷抹還是清新素雅？
我們知道傳統(tǒng)的圖形渲染分為立體建模（頂點著色）和像素著色兩個部分，其中像素都是2D平面狀的，平鋪在模型表面，而光影效果都是需要預(yù)先計算每個像素的光照或陰影，就是根據(jù)游戲的需要來改變像素顏色。
這種對每個像素反復(fù)進行涂抹修飾的做法，既不逼真、也很低效，因為像素顯示的并不是真正的光影效果，而是我們認為應(yīng)該顯示的效果，而且越來越多的預(yù)處理特效對GPU的ROP（光柵單元）和顯存造成了很大的負擔(dān)。
● VXGI立體像素全局光照：2D平面像素變?yōu)?D立體像素
NVIDIA使用了一種非常巧妙的方法，從根本上改變了虛假的光影處理流程。
傳統(tǒng)游戲中，所有間接光照（某一表面反射出來的光線）是預(yù)先計算的，存儲于有光線貼圖之稱的紋理內(nèi)。光線貼圖讓游戲場景能夠具備類似全局光照的效果，但是因為它們是預(yù)先計算的，所以只在靜態(tài)物體上有效。
VXGI完全拋棄了將光線貼圖存儲于2D紋理中的做法，而是將其存儲于立體像素中。立體像素就是三維像素，它具有體積，類似于樂高積木。
立體像素采用樹狀結(jié)構(gòu)分布，以便能夠?qū)ζ溥M行高效地定位。當(dāng)渲染一個像素時，它能夠有效地詢問立體像素樹: “哪一個立體像素對我來說是可見的？”根據(jù)這一信息，就能夠決定接收的間接光線數(shù)量（全局光照）。
VXGI完全消除了預(yù)先計算的光照，以存儲于樹狀結(jié)構(gòu)的立體像素取而代之，這種樹會根據(jù)每一幀而更新，所有像素均利用它來收集光照信息。
● VXGI立體像素全局光照：每顆立體像素都是“手電筒”
現(xiàn)在到了最關(guān)鍵的地方，立體像素看起來好像比馬賽克更加稀疏，但是所有可見的立體像素都可以執(zhí)行錐形聚焦光線追蹤（給出起點、方向和角度），這樣就能沿著小范圍的錐形路徑生成大致的光線漫反射效果。
每一個立體像素都可以進行多個錐形追蹤，游戲中需要根據(jù)實際光源的大致方向及反射表面的情況，來設(shè)定錐形范圍及追蹤數(shù)量。
實現(xiàn)最終的效果沒有捷徑，就是通過GPU強大的運算能力，讓錐形追蹤足夠快，以使我們能夠?qū)崟r地對每個立體像素執(zhí)行一次或多次追蹤。對每個像素執(zhí)行六次寬幅錐形追蹤 (每個主要方向各一次) 會生成大致的二次反射間接光照效果。以鏡面反射方向執(zhí)行窄幅錐形追蹤能夠呈現(xiàn)金屬反射效果，在這種反射效果中，每個有光澤的表面都能夠反射出整個場景。
● 虛幻4引擎完美支持VXGI，Maxwell顯卡運行效率更高
值得一提的是，VXGI提算全局光照技術(shù)嚴重依賴于GPU的浮點運算（通用計算），而不是傳統(tǒng)的圖形流水線，因此大大減輕了GPU光柵單元的負擔(dān)。另外，NVIDIA稱Maxwell架構(gòu)對VXGI的運算進行了針對性的優(yōu)化，新一代顯卡在執(zhí)行體素全局光照時的效率會更高。
VXGI現(xiàn)已加入UE4豪華DEMO
虛幻4引擎已經(jīng)完整支持了VXGI技術(shù)，最新的虛幻4技術(shù)演示Demo已呈現(xiàn)除了非常驚人的光照效果，不久之后，將會有一大批使用虛幻4引擎的游戲大作問世，屆時Maxwell架構(gòu)的顯卡將會有更佳的性能表現(xiàn)。
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