elvishray新算法框架(已修改)
2025-07-01 14:06 本頁(yè)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(gè)人對(duì)elvish ray的建議，僅供參考。需求分析mental ray是一個(gè)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(dòng)減少無(wú)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(lái)的，按我的使用經(jīng)驗(yàn)，這帶來(lái)很多問(wèn)題。在mental ray中，對(duì)不同的光線類(lèi)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(shí)很難預(yù)測(cè)各種光線的行為，也就很難預(yù)測(cè)達(dá)到的效果與渲染時(shí)間，這對(duì)于產(chǎn)品級(jí)的制作是很大的麻煩，意味著開(kāi)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(shí)間的變化呈線性關(guān)系，但對(duì)于reflected ray和refracted ray，眾所周知，其遞歸光線追蹤的過(guò)程構(gòu)成一顆二叉樹(shù)形式，稱(chēng)為光線樹(shù)，這樣對(duì)于K次反射/折射，R個(gè)象素，總供需要計(jì)算的光線數(shù)目近似于(2k+12)R條，這是呈指數(shù)增長(zhǎng)的，所以遞歸層數(shù)K一深，整個(gè)渲染過(guò)程馬上就慢下來(lái)了，更糟糕的是，如果再開(kāi)啟陰影，每個(gè)交點(diǎn)處至少發(fā)射一條陰影測(cè)試光線，更一般的，開(kāi)啟區(qū)域陰影時(shí)，不妨設(shè)每個(gè)交點(diǎn)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(zhǎng)非?？膳?，而且不同的特效同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，速度的變慢不是簡(jiǎn)單的線性組合，而是會(huì)相互影響，這就是為什么單獨(dú)打開(kāi)mental ray的某一種特效，速度尚可接受，但同時(shí)打開(kāi)幾種特效時(shí)，速度就慢得讓人難以忍受了，所以想要用mental ray達(dá)到很好的效果和渲染時(shí)間的平衡，需要大量的試驗(yàn)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(yàn)，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。總結(jié)起來(lái)，mental ray在這方面的缺點(diǎn)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(shí)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(shí)的增加渲染時(shí)間。2. 各種光線類(lèi)型的優(yōu)化方法不統(tǒng)一，算法復(fù)雜維護(hù)困難，且對(duì)于產(chǎn)品級(jí)的應(yīng)用，難以預(yù)測(cè)渲染時(shí)間的開(kāi)銷(xiāo)，難以預(yù)測(cè)并保證最終效果，總是要求用戶(hù)試了才知道。3. 無(wú)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(zhǎng)關(guān)系。4. 同時(shí)開(kāi)啟多種效果時(shí)，渲染時(shí)間不是單獨(dú)開(kāi)啟各種效果時(shí)渲染時(shí)間簡(jiǎn)單的線性組合，而是會(huì)相互影響。例如，射/折射層次增加亦會(huì)使陰影光線數(shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)。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(yàn)。想要達(dá)到效果和渲染時(shí)間的平衡，需要大量反復(fù)的調(diào)整和試驗(yàn)，影響制作效率。針對(duì)這些問(wèn)題，我設(shè)計(jì)了如下這種新算法框架，希望能有助于解決這些問(wèn)題，其實(shí)該架構(gòu)也非常簡(jiǎn)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(duì)Reyes與光線追蹤算法中各自的一些概念進(jìn)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(lèi)型的推廣Reyes算法只處理一種光線類(lèi)型，就是mental ray中稱(chēng)為eye ray的光線，它只渲染觀察者直接可見(jiàn)的景物，Reyes還有一個(gè)區(qū)別于mental ray這類(lèi)光線追蹤渲染器的主要特點(diǎn)，就是將Hidden Surface Removal（簡(jiǎn)稱(chēng)hiding）和shading過(guò)程分開(kāi)，這樣的好處是，增加物體邊緣的反走樣，不會(huì)增加多少渲染時(shí)間，因?yàn)楦臅r(shí)的shading過(guò)程由另一個(gè)與象素?cái)?shù)目（由采樣數(shù)目控制）無(wú)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(lèi)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(duì)應(yīng)于各種光線類(lèi)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(shí)，便對(duì)整張microgrid上的每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)視點(diǎn)的shading（這雖然可能導(dǎo)致浪費(fèi)一部分shading結(jié)果，但是可以充分利用SIMD并行計(jì)算加速，甚至可以利用GPU），這就涉及到如何執(zhí)行用戶(hù)編寫(xiě)的shader程序的問(wèn)題了。因?yàn)槲覀円?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(duì)視點(diǎn)細(xì)分生成的microgrid上的每個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行shading總是正確的。然而，以reflected ray為例，對(duì)microgrid上的每個(gè)頂點(diǎn)都計(jì)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(duì)microgrid上的一部分頂點(diǎn)計(jì)算反射，這部分頂點(diǎn)通過(guò)在microgrid上按相應(yīng)間隔取隔行和隔列的頂點(diǎn)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(jī)，shader代碼執(zhí)行到調(diào)用trace_reflect函數(shù)的時(shí)候，便收集microgrid上需要計(jì)算反射的點(diǎn)（這些點(diǎn)被稱(chēng)為reflected points，相應(yīng)的有refracted points, shadow p
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