虚幻4渲染编程（光线追踪篇）【第二卷：一天入门光线追踪 ...

xiaozongpeng

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INTRODUCTION：
光线追踪和光栅比起来有很多天生优势，实时光线追踪也是游戏未来发展的大方向。这一节将会实现“Ray Tracing in a Weekend”的内容，不过与“Ray Tracing in a Weekend”不同的是，我们将会在虚幻4中实现它，并且使用GPU来加速计算。
在开始本系列之前，如果没有光线追踪基础建议先阅读Ray Tracing in a weekend，Two Weekend 和last life这三本书。
這些是基礎知識，下面我會在Unreal中自己搭建一個簡陋的光錐渲染器，這些完成后再進入RTX。
<hr/>MAIN CONTENT：

【1】在Unreal中使用GPU做光线追踪的环境搭建
我们还是使用插件的形式来搭建我们的代码，虚幻的插件和unity的有本质不同，虚幻的插件其实是一个新的模块。
我们新建一个名为RayTracing的插件，然后在插件里新建一个RayTracing.usf和一个RayRender.h，一个RayRender.cpp


对RayTracing.build.cs做如下修改


对RayTracing.uplugin做如下修改：


然后在RayRender.h文件中，敲入如下代码


在RayRender.cpp中实现MainRayRender


然后在RayTracing.usf中敲入如下代码


然后新建一个场景，做一个BP派生自RayRender


然后把它拖进去，在BP_RayRender中做如下设置


OK现在完成了最基本的环境搭建。

【2】加入ComputeShader
在RayRender.cpp中我们要建一个ComputeShader。这个CS将负责RayTracing的大部分计算。代码如下：



【3】使用ComputeShader来输出计算结果
在MainRayRender函数前面我们增加一个函数


这个函数负责被逻辑线程的MainRayRender函数调用，然后它负责在渲染线程控制CS，在这个函数的末尾有个SaveArrayToTexture函数，我们需要在RayTracing_RenderThread前实现它。如下图所示：


最后是我们的MainRayRender函数的实现。


然后在编辑器启动游戏点下R键之后，你将会在项目的Save目录下看到CS计算的结果



【4】在ComputeShader中加入RayTracing的逻辑完成天空的绘制
使用CS的时候需要注意的是，uv的v方向是向下的


再改一下输出图片的分辨率（为了好看）
然后我们继续在RayTracing.usf敲入如下代码：


首先我们定义了一个光线的结构体，并且为这个结构体配套了一个point_at_paramerter的函数。然后定义了一个渲染场景的函数，最后在MainCS里定义了我们的摄像机。


在编辑器中运行点R键，你将会在项目的Save目录的ScreenShot里找到输出结果



【5】向RayTracing中加入一个球体
我们先来使用数学方法建一个球体要判断光线是否与球相交，只需要判断射线方程和球面方程是否有交点即可


（电脑上写的字巨丑，见谅）
所以我们定义一个hit_sphere函数如下


我们的RenderSceneColor也要做相应变化，如果光线打到了球面上，则绘制红色。然后我们就可以得到如下的图：



【6】计算表面法线
因为表面是球形的，所以法线就是球星到光线和表面的相交点方向的向量






【7】多物体计算


如果想得到一个场景肯定不可能只绘制一个东西，这时候我们需要绘制多个物体。这时候我们就需要在Shader里维护一个绘制列表。同时为了更方便绘制，我把摄像机的坐标系重新调整了一下。


先定义一个结构体用来储存光追的结果


然后定义物体结构体和物体绘制列表结构
struct hitable_Sphere
{
    float3 center;
    float radius;
        void InitHitableObject(float3 centerlocation, float radiusvalue)
    {
        center = centerlocation;
        radius = radiusvalue;
    }
    bool hit(in Ray r, in float t_min, float t_max, out hit_record rec)
    {
        float3 oc = r.origin - center;
        float a = dot(r.direction, r.direction);
        float b = 2 * dot(oc, r.direction);
        float c = dot(oc, oc) - radius * radius;
        float discrimninant = b * b - 4 * a * c;
       
        if (discrimninant >= 0)
        {
            float temp = (-b - sqrt(discrimninant)) / (2.0f * a);
            if (temp < t_max && temp > t_min)
            {
                rec.t = temp;
                rec.p = r.point_at_paramerter(rec.t);
                rec.normal = (rec.p - center) / radius;
                return true;
            }
            temp = (-b + sqrt(discrimninant)) / (2.0f * a);
            if (temp < t_max && temp > t_min)
            {
                rec.t = temp;
                rec.p = r.point_at_paramerter(rec.t);
                rec.normal = (rec.p - center) / radius;
                return true;
            }
        }
        return false;
    }
};

struct hitablelist
{
    hitable_Sphere Sphere_001;
    hitable_Sphere Sphere_002;

    bool hit(in Ray rayline, in float t_min, in float t_max, out hit_record rec)
    {
        hit_record temp_rec;
        bool hit_anything = false;
        float closest_so_far = t_max;
               
        Sphere_001.InitHitableObject(float3(0, -1.0f, 0), 0.5f);
        if (Sphere_001.hit(rayline, t_min, closest_so_far, temp_rec))
        {
            hit_anything = true;
            closest_so_far = temp_rec.t;
            rec = temp_rec;
        }
               
        Sphere_002.InitHitableObject(float3(0, -1.0f, 20.5f), 20.0f);
        if (Sphere_002.hit(rayline, t_min, closest_so_far, temp_rec))
        {
            hit_anything = true;
            closest_so_far = temp_rec.t;
            rec = temp_rec;
        }

        return hit_anything;
    }
};最后是我们的场景渲染函数和MainCS


【8】抗锯齿
可以看到我们渲染出来的图锯齿还是很重的


我们可以对这个地方进行超采样来缓解。首先把Camera的逻辑封装一下


主函数也需要做相应修改


于是最后我们得到了平滑的图像


这里我采样了2048次（其实不用这么多次），对于GPU来说小Case啦。我1060的垃圾卡都能瞬间做完运算并输出图片。
【9】DiffuseLighting
我们有了法线就能做Lighting啦。
我们可以假设一种非常简单的光照模型，光打到一个物体上，一部分能量被吸收，一部分能量反弹，我们对每条光线做迭代即可




最后可以得到的输出结果


可以看到我们不需要可以渲染AO影子什么的，这些东西自己就有了。影子噪点非常多我们还需要对其进行降噪处理。
修改下Hit的最小距离，将其修改为0.001


于是奇怪的bug纹就消失了




<hr/>SUMMARY AND OUTLOOK：
先暂时写到这里吧，后面的全反射和折射，透射什么的有时间再写。到这里我们就可以得到一个简单的光纤追踪渲染器了。不过没有加速结构，没有反弹循环等等，但是这并不影响我们对光线追踪的理解。
Enjoy it。
<hr/>NEXT：
YivanLee：虚幻4渲染编程（光线追踪篇）【第三卷：三角形求交】

pc8888888

来点Stochastic Sampler（滑稽）

Doris232

本人不建议大家去第三本last life，推荐大家直接去看pbrt的蒙特卡洛方法以及重要性采样

HuldaGnodim

给大佬打call

Arzie100

可以作为修改管线的教程，光追到最后都是拼加速结构了

Arzie100

建议作者有心情可以分解一下Lightmass里面蒙特卡洛的具体实现

kirin77

请问 ue4是否可以支持wavefront，其次，是否可以支持optix，谢谢