elvishray新算法框架(已修改)
2025-07-01 14:06 本頁面
【正文】 elvish ray新算法框架Version Len3dCopyright 169。2007 Len3d.All rights reserved.前言本文描述了一種渲染器的新算法框架，只是我個人對elvish ray的建議，僅供參考。需求分析mental ray是一個極其優(yōu)秀的混合渲染器，尤其是它的光線追蹤功能，做得非常好，非常智能，盡量用最少的光線取得最好的結(jié)果（很好的采樣分布算法和自動減少無效采樣），但它依然是基于傳統(tǒng)的光線追蹤算法框架發(fā)展而來的，按我的使用經(jīng)驗，這帶來很多問題。在mental ray中，對不同的光線類型，如eye ray, shadow ray, reflected ray, refracted ray, finalgather ray等，都要分別做不同的優(yōu)化，導(dǎo)致算法非常復(fù)雜，而各種光線的表現(xiàn)又不盡相同，導(dǎo)致使用時很難預(yù)測各種光線的行為，也就很難預(yù)測達到的效果與渲染時間，這對于產(chǎn)品級的制作是很大的麻煩，意味著開支預(yù)算變得困難。雖然mental ray盡量讓參數(shù)的變化直接與渲染時間的變化呈線性關(guān)系，但對于reflected ray和refracted ray，眾所周知，其遞歸光線追蹤的過程構(gòu)成一顆二叉樹形式，稱為光線樹，這樣對于K次反射/折射，R個象素，總供需要計算的光線數(shù)目近似于(2k+12)R條，這是呈指數(shù)增長的，所以遞歸層數(shù)K一深，整個渲染過程馬上就慢下來了，更糟糕的是，如果再開啟陰影，每個交點處至少發(fā)射一條陰影測試光線，更一般的，開啟區(qū)域陰影時，不妨設(shè)每個交點處平均發(fā)射m條shadow ray，則所需的光線總數(shù)約為(2k+12+m(2k1))R條，這種增長非?？膳拢也煌奶匦瑫r開啟時，速度的變慢不是簡單的線性組合，而是會相互影響，這就是為什么單獨打開mental ray的某一種特效，速度尚可接受，但同時打開幾種特效時，速度就慢得讓人難以忍受了，所以想要用mental ray達到很好的效果和渲染時間的平衡，需要大量的試驗和人工參數(shù)調(diào)整，需要使用者有非常豐富和老道的使用經(jīng)驗，即使如此，調(diào)整mental ray諸多的復(fù)雜而神秘的參數(shù)，依然是一種痛苦的折磨?？偨Y(jié)起來，mental ray在這方面的缺點主要有：1. 基于傳統(tǒng)的光線追蹤算法框架，各種特效增加的渲染時間與象素（包括自適應(yīng)采樣產(chǎn)生的子象素）數(shù)目成正比。因此，假如你只想增加景物邊緣的反走樣，而不在乎反射/折射的精細(xì)程度，mental ray依然發(fā)射更多的反射/折射光線，忠實的增加渲染時間。2. 各種光線類型的優(yōu)化方法不統(tǒng)一，算法復(fù)雜維護困難，且對于產(chǎn)品級的應(yīng)用，難以預(yù)測渲染時間的開銷，難以預(yù)測并保證最終效果，總是要求用戶試了才知道。3. 無論mental ray如何優(yōu)化其算法，反射/折射光線，依然與反射/折射層次數(shù)呈指數(shù)增長關(guān)系。4. 同時開啟多種效果時，渲染時間不是單獨開啟各種效果時渲染時間簡單的線性組合，而是會相互影響。例如，射/折射層次增加亦會使陰影光線數(shù)目呈指數(shù)增長。5. 參數(shù)復(fù)雜而且神秘，難于調(diào)整，需要極為豐富的使用經(jīng)驗。想要達到效果和渲染時間的平衡，需要大量反復(fù)的調(diào)整和試驗，影響制作效率。針對這些問題，我設(shè)計了如下這種新算法框架，希望能有助于解決這些問題，其實該架構(gòu)也非常簡單，其核心思想依然是分而治之的思想，我借鑒了Reyes的思想，并對Reyes與光線追蹤算法中各自的一些概念進行了推廣，提供了一種統(tǒng)一的架構(gòu)。算法框架描述1. 光線類型的推廣Reyes算法只處理一種光線類型，就是mental ray中稱為eye ray的光線，它只渲染觀察者直接可見的景物，Reyes還有一個區(qū)別于mental ray這類光線追蹤渲染器的主要特點，就是將Hidden Surface Removal（簡稱hiding）和shading過程分開，這樣的好處是，增加物體邊緣的反走樣，不會增加多少渲染時間，因為更耗時的shading過程由另一個與象素數(shù)目（由采樣數(shù)目控制）無關(guān)的參數(shù)shading rate控制。我將shading rate的概念由eye ray推廣到各種光線類型，reflected ray, refracted ray, shadow ray, finalgather ray等都有各自的shading rate，且規(guī)定它們的shading rate均不小于eye ray的shading rate，這樣我們?yōu)槊繅K由細(xì)分和鑲嵌生成的microgrid，匹配一系列分別對應(yīng)于各種光線類型的irradiance cache（這里借用并推廣了irradiance cache的概念），每當(dāng)一塊microgrid被某條光線擊中時，便對整張microgrid上的每個頂點進行針對視點的shading（這雖然可能導(dǎo)致浪費一部分shading結(jié)果，但是可以充分利用SIMD并行計算加速，甚至可以利用GPU），這就涉及到如何執(zhí)行用戶編寫的shader程序的問題了。因為我們規(guī)定其余各種光線的shading rate總不小于eye ray的shading rate，所以在Reyes針對視點細(xì)分生成的microgrid上的每個頂點進行shading總是正確的。然而，以reflected ray為例，對microgrid上的每個頂點都計算反射往往是不必要的，所以我們可以根據(jù)reflected ray的shading rate，只對microgrid上的一部分頂點計算反射，這部分頂點通過在microgrid上按相應(yīng)間隔取隔行和隔列的頂點獲得。若要利用SIMD并行shading，我們需要有RenderMan一樣的編譯器與SIMD虛擬機，shader代碼執(zhí)行到調(diào)用trace_reflect函數(shù)的時候，便收集microgrid上需要計算反射的點（這些點被稱為reflected points，相應(yīng)的有refracted points, shadow p
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