【渲染知识】RTX 实时路径追踪技术介绍 NVIDIA OptiX Ray Tracing By RTX Arnold渲染器进入第一梯队

路径追踪(Ray Tracing)与光栅化(Rasterization)

自 20 世纪 90 年代以来，传统的 3D 渲染通常使用一种称为“光栅化”的过程。光栅化使用从三角形或多边形网格创建的对象来表示对象的 3D 模型。然后渲染管道将 3D 模型的每个三角形转换成 2D 图像平面上的像素。然后，这些像素可以在屏幕上最终显示之前被进一步处理或“阴影化”。虽然光栅化可以非常高效地实时生成图像，但对光栅化流水线增加实际的光照效果会增加复杂性，基于给定场景的手动调谐参数会更多。保持良好的性能通常需要使用技巧或评估，这可能会影响整体的真实效果。而路径追踪是实现更现实主义的重要步骤。

路径通过模拟光的物理行为产生高度逼真的图像。路径通过跟踪光从观看者的眼睛通过虚拟 3D 场景传播的路径来计算像素的颜色。光可以从一个物体反射到另一个物体（引起反射），被物体遮挡（导致阴影），或穿过透明或半透明物体（模拟半透明或电介质，如玻璃或水），当它穿过场景时。所有这些相互作用结合在一起，以产生在屏幕上显示的像素的最终颜色。保真度可以保持不妥协，如下图所示，算法可以优雅地实现，并以大量复杂的计算工作量为代价。

图 1。由 Enrico Cerica 使用 Octane 渲染器生成的计算机生成的图像显示了光线跟踪阴影和反射在复杂的地板光洁度上。

路径追踪如何工作

路径跟踪直接模拟虚拟环境的光。下图显示了环境如何由摄像机、灯光组、3D 几何模型和这些模型材质组成的图示。然后光线跟踪，表示光路或光子，以确定摄像机传感器在给定方向上看到的光值。光线追踪通常遵循一系列的合理事件：

1、创建一个光线，表示从环境到相机的反向光路。
2、光线与场景相交，确定光线击中的物体（如果有的话）。
3、材质着色器或环境着色器沿着光线的路径计算光照值
4、最后，将所得的照明值写入帧缓冲器。
步骤 3，通常通过产生附加光线来确定入射光在物体上的点上，使得光线跟踪是一个合理的递归算法。

GPU 上的路径追踪

能够创建真正的照片、逼真的图像的能力，这也是为什么光线跟踪，能够预示着计算机渲染的未来。路径追踪渲染器主导了今天的虚拟效果和动画特效的生产。大规模并行 GPU 的出现，现在扩展了可以使用光线跟踪的域空间。使用 GPU 离线渲染，现在只需要分分钟，而不是使用主流 CPU 所需几个小时的时间。Nvidia GPU 与 Nvidia 最先进的光线追踪技术栈相结合，现在提供了计算能力和软件框架，以在消费者类工作站上执行有趣、实时的光线追踪工作负载。

NVIDIA 宣布支持 RTX 技术在新的 Qualro®GV100 本周在 GTC。开发者可以通过多个 API 访问 Nvidia RTX 技术，这取决于它们的需求和开发环境，下图所示。

NVIDIA RTX 技术

微软的 DirectX Raytracing（DXR）API。完全集成了光线追踪到 DirectX，这是一个游戏开发者使用的行业标准 API，使光线追踪成为一个新的特性，而不是光栅化的替代物。DXR 专注于通过混合光栅化射线追踪技术实现实时使用情况。

Nvidia 的 Vulkan Ray 追踪扩展。光线追踪扩展到 Vulkan 图形标准。另一种在跨平台 API 中紧密耦合光线跟踪和光栅化路径的技术。

NVIDIA 公司的 OpTIX API。一种在 GPU 上实现高性能光线跟踪的应用框架。它提供了一种简单的、递归的、灵活的加速光线跟踪算法的流水线。OpTIX SDK 包括两个可以独立使用的主要组件：渲染器开发的光线跟踪引擎和用于显示图像处理之前的后处理流水线。

所有三个 API 都有一个共同的方法来描述光线跟踪操作，这使得开发人员能够在多个平台上访问 RTX。在渲染软件和硬件方面的十年的投资已经导致高度优化的光线跟踪解决方案，使得以前无法达到的性能和交互性水平。NVIDIA 还大力投入开发工具链，使得 GPU 编程、调试和配置变得比以往任何时候都容易。

NVIDIA 设计了 Optix API，以填补 Nvidia GPU 中简单概念模型和相对先进的执行模型之间的差距，允许开发人员专注于核心射线跟踪算法，如下图所示。OptiX 建立在关键的观察上，大多数光线跟踪算法可以使用一组小的可编程操作来实现。OptiX 提供了一个用于描述虚拟环境的 API 和一组用户可编程的着色器来实现光线跟踪周期的每个阶段。

绿色的是 OPTIX 用户可编程着色器。
遍历是由 OptiX 内部控制的

OptiX 的核心是一个特定于域的即时编译器。编译器通过结合用户提供的用于光线生成、材质着色、对象交叉和场景遍历的程序来生成定制的光线跟踪内核。高性能是通过使用紧凑的对象模型和光线跟踪编译器优化来实现的，这些优化可以有效地映射到新的 RTX 技术和 Volta gpu。

OptiX 支持各种各样的用例，包括交互式呈现、脱机或批处理呈现、碰撞检测系统、人工智能查询和科学模拟(如声音传播或中子传输)。OptiX 已被集成到目前可用的各种商业软件产品中，并已成为近十年来的一个关键的光线追踪 SDK。

用 OptiX 的主要好处

一个可编程的 gpu 加速光线跟踪管道，容易定制到您的应用程序需求；
单线编程模型提供了对递归的全面支持，以及类似于虚拟函数调用的动态调度机制；
最先进的数据结构，用于极快的光线-物体相交；
支持渲染大场景，通过跨多个 GPU 的透明缩放和通过 NVLink 的多个 GPU 内存的自动组合成为可能；
OptiX 利用了最新的 GPU 体系结构特性，而不需要在应用程序端进行更改；
一种基于人工智能的降噪器，提高了用户在实时探索中的体验；
灵活性支持任意着色模型，包括基于物理的 MDL 材料规范的示例实现；
全面的编程指南、参考文档和示例，帮助您快速地将 OptiX 集成到应用程序中；
一个直观的界面，NVIDIA 的 RTX 技术和强大的 Volta gpu；

性能

OpTIX 运行在一系列 NVIDIA GPU 上，但使用 VLTA GPU 实现最佳性能，如下图所示。

用 NVIDIA OptiX 增强创造力

Arnol 的表示第一个拥抱 RTX

使用英伟达 OptiX 的渲染软件，如 Autodesk Arnold、Chaos Group V-Ray、Isotropix Clarisse、Optis、Pixar、RenderMan 和 Solidworks 可视化等，在英伟达 Volta 架构上运行时将自动使用 RTX 技术。

OptiX AI 去噪技术与 Quadro GV100 和 Titan V 中的新型英伟达张量核相结合，提供了 3 倍于前一代 gpu 性能的性能，首次实现了无噪点流体交互。

英伟达正在改变效果图和整个设计过程。通过英伟达 Volta gpu 和英伟达®RTX™射线跟踪技术,你可以提高你的创造力具有实时,电影质量呈现更好的结果和帮助决策。与你的客户一起在房间里探索设计，实验照明和材料，因为你可以交互地精确地模拟真实的照明条件。

如果您想了解更多关于 OptiX 的信息，您可以在 NVIDIA OptiX developer 页面找到更多信息，其中包括详细文档的链接以及如何获取 OptiX。

文章由译自：NVIDIA OptiX Ray Tracing By RTX
参考：解密 NVIDIA Ray Tracing