英偉達新推出的圖靈顯卡首次在消費者GPU中實現(xiàn)了實時光線追蹤。自此，社區(qū)開始討論DirectX 12中的光線追蹤。然而，一系列的開發(fā)者都希望能夠通過Vulkan（Khronos Group支持的low-level API）實現(xiàn)這一點，從而帶來更為開放的策略。Vulkan令開發(fā)者能夠針對眾多不同的平臺，包括Windows和Linux，從而允許更廣泛地分發(fā)3D加速的應用程序。英偉達的411.63驅(qū)動程序現(xiàn)在啟用了一個實驗性的Vulkan擴展，它通過Vulkan API公開（expose）了英偉達用于實時光線追蹤的RTX技術(shù)。

這個名為VK_NVX_raytracing的擴展屬于開發(fā)者預覽版。擴展程序面向希望熟悉API概念并開始測試相關(guān)功能的開發(fā)者。正如“NVX”前綴所示，這個API尚未最終確定，并且有可能在最終版本發(fā)布之前進行一定的更改。

日前，英偉達開發(fā)技術(shù)工程師Nuno Subtil向我們詳細介紹了面向Vulkan的實時光線追蹤技術(shù)，以下是映維網(wǎng)的具體整理：

1. 光線追蹤API的演變

在英偉達，GPU加速的光線追蹤成為研究課題已有超過10年的時間。

GPU逐漸發(fā)展成為功能強大的光柵化機器。為架構(gòu)添加可編程性可以創(chuàng)建基于光柵化的復雜算法。這種可編程性令GPU能夠處理更復雜的計算問題，并最終促成了英偉達GPU計算平臺CUDA的推出。英偉達的GPU加速光線追蹤研究專注于通過CUDA編程模型公開（expose）光線追蹤。

英偉達努力的首個可見結(jié)果之一是OptiX，一種用于加速光線投射應用的通用SDK。英偉達在2010年SIGGRAPH大會發(fā)布的 論文 細介紹了針對OptiX的API設(shè)計研究，并包含了今天用于實時光線追蹤的關(guān)鍵創(chuàng)建模塊。圖1是論文的摘錄。

圖1：早期論文的摘錄，其詳細介紹了關(guān)于OptiX API的研究

英偉達圍繞OptiX所做的努力，特別是為了令其變得越來越高效和可擴展而進行的研發(fā)工作，最終在實時光線追蹤（RTX）達到了頂峰。RTX是算法，計算機圖形和GPU架構(gòu)10多年研究的產(chǎn)物，它使得實時光線追蹤應用程序能夠在英偉達的GPU上運行。RTX利用了英偉達所有的研究工作和硬件改進，是創(chuàng)建實時光線追蹤API的基礎(chǔ)。

2. 為Vulkan帶來光線追蹤

英偉達Vulkan光線追蹤擴展（簡稱“VKRay”）背后的關(guān)鍵設(shè)計原則利用了他們之前關(guān)于光線追蹤API的研究。VKRay建立在經(jīng)過驗證和現(xiàn)場測試的API概念之上，其足夠靈活，可以支持各種各樣的應用程序，并同時仍然提供了運行應用程序利用未來研究的抽象層。

Vulkan是一個跨硬件API，而英偉達已經(jīng)確保VKRay實現(xiàn)跨硬件支持。整個API可以在現(xiàn)有的Vulkan計算功能之上實現(xiàn)。英偉達同時在全力確保這個擴展符合現(xiàn)有的Vulkan API概念。內(nèi)存分配，資源處理和著色器語言/字節(jié)碼的處理方式與核心Vulkan API規(guī)定的方式相同。

3. 光線追蹤管道

通過光線追蹤管道的數(shù)據(jù)流不同于傳統(tǒng)的光柵管道。圖2比較了兩個管道。

一般認為灰色塊不可編程。隨著底層實現(xiàn)的成熟，這一切都隨著時間的推移而不斷發(fā)展和改進。白色塊代表完全可編程的階段。鉆石形階段是調(diào)度工作發(fā)生的地方。

與光柵化不同，光線追蹤所執(zhí)行的工作“單位（光線）”數(shù)量取決于先前工作單位的結(jié)果。這意味著新的工作能夠通過可編程階段產(chǎn)生，并直接饋送回管道。

英偉達光線追蹤API包含四個關(guān)鍵組件：

加速結(jié)構(gòu)

用于光線追蹤的新shader domain

Shader Binding Table

光線追蹤管道對象

4. 加速結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的光柵化涉及獨立處理每一個幾何圖元。相比之下，光線追蹤針對所有場景基元測試每條光線，而這樣做的成本十分昂貴。

大多數(shù)光線追蹤器是實現(xiàn)某種形式的加速結(jié)構(gòu)，從而快速拒絕基元，英偉達的API將其公開（expose）為“一等公民”。加速結(jié)構(gòu)（acceleration structure）是一個對象，它為場景中的基元保存幾何信息，以這樣的方式進行預處理，從而能夠流暢地拒絕潛在的光線-基元交叉點。這是可以進行光線追蹤的API基元。

加速結(jié)構(gòu)（acceleration structure，AS）作為不透明的，實現(xiàn)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)公開（expose），不依賴于任何基礎(chǔ)算法或剔除方法。它建模為兩級結(jié)構(gòu)：bottom-level AS節(jié)點包含幾何數(shù)據(jù)，而top-level AS節(jié)點則包含對底層節(jié)點的引用列表，以及相關(guān)的變換和著色信息。圖3概述了結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

可以使用VkBuffer對象中的現(xiàn)有幾何創(chuàng)建加速結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建AS的過程分為兩步：首先創(chuàng)建bottom-level節(jié)點，然后生成top-level節(jié)點。

所有創(chuàng)建/更新操作都發(fā)生在GPU上，如圖4所示。在這個情形下，“創(chuàng)建”意味著從零開始創(chuàng)建新對象（如在初始設(shè)置場景時），而“更新”則意味著我們通過新數(shù)據(jù)來更新現(xiàn)有對象（如當角色在現(xiàn)有場景中移動時）。盡管創(chuàng)建和更新操作都旨在以非常高效的方式進行，但兩者都存在一定的限制，尤其是更新。

在API Level，我們定義一個新的Vulkan對象類型：VkAccelerationStructureNVX。對象的每個實例都在top-level AS節(jié)點或bottom-level封裝。我們同時定義了一個新的資源描述符類型VK_DESCRIPTOR_TYPE_ACCELERATION_STRUCTURE_NVX，主要用于將AS對象綁定至著色器。

對象創(chuàng)建和消除遵循一般的Vulkan范例：通過調(diào)用vkCreateAccelerationStructureNVX創(chuàng)建加速結(jié)構(gòu)節(jié)點，這會返回不透明句柄。然后，這個句柄可與vkGetAccelerationStructureMemoryRequirementsNVX一起使用，以獲取有關(guān)該加速結(jié)構(gòu)需要的內(nèi)存類型和內(nèi)存量信息。接下來，可以使用vkAllocateMemory分配內(nèi)存，并通過調(diào)用vkBindAccelerationStructureMemoryNVX將其綁定至該對象。

4.1 管理加速結(jié)構(gòu)內(nèi)存

加速結(jié)構(gòu)創(chuàng)建/更新操作需要一定的臨時“暫存（scratch memory）”?？梢酝ㄟ^調(diào)用vkGetAccelerationStructureScratchMemoryRequirementsNVX來查詢這一內(nèi)存。

暫存（scratch memory）以常規(guī)VkBuffer對象的形式出現(xiàn)，根據(jù)實現(xiàn)返回的內(nèi)存要求進行分配。這將作為創(chuàng)建/更新命令的參數(shù)進行傳入。

AS對象所需的內(nèi)存量取決于傳入的特定幾何數(shù)據(jù)。因此，vkGetAccelerationStructureMemoryRequirementsNVX返回的數(shù)據(jù)是特定對象所需內(nèi)存量的上限。創(chuàng)建結(jié)構(gòu)后，可以使用vkCmdWriteAccelerationStructurePropertiesNVX命令，讓GPU將給定AS對象的壓縮大小寫入Vulkan查詢對象，而這可以在CPU進行讀取。然后，可以使用它來分配具有所需內(nèi)存量的單獨AS對象，并且可以使用vkCmdCopyAccelerationStructureNVX來將原始AS對象壓縮為新的AS對象。

4.2 加速結(jié)構(gòu)創(chuàng)建/更新執(zhí)行

AS創(chuàng)建/更新命令在GPU上執(zhí)行，可以提交給圖形或計算隊列。API允許實現(xiàn)并行化連續(xù)的創(chuàng)建/更新命令，從而最大化GPU利用率。

在創(chuàng)建/更新命令之間重用暫存緩沖區(qū)時應小心，因為它們的執(zhí)行可能會重疊。為確保正確，我們需要barrier同時，使用新的存儲器訪問flag位VK_AC CES S_ACCELERATION_STRUCTURE_R EA D_BIT_NVX和VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_WRITE_BIT_NVX：應該在暫存緩沖區(qū)上的緩沖存儲器barrier中使用它們，然后再將相同的緩沖區(qū)用于另一個操作，并用在全局存儲器barrier上，從而確保AS創(chuàng)建/更新在AS對象用于光線追蹤之前完成更新。

為了最大化重疊，建議為多個創(chuàng)建/更新操作分配足夠的臨時緩沖區(qū)內(nèi)存，并為每個連續(xù)操作分配不同的內(nèi)存區(qū)域。分配多少內(nèi)存取決于應用程序?qū)铀俳Y(jié)構(gòu)創(chuàng)建性能的敏感程度，以及使用的加速結(jié)構(gòu)量。

5. 光線追蹤shader domain

為了向Vulkan API公開（expose）光線追蹤功能，我們定義一組新的shader domain，以及用于著色器間通信的基元。圖5說明了流程。

5.1 光線生成著色器（Ray Generation Shader）

光線生成著色器開始所有的光線追蹤工作。光線生成著色器在線程的2D網(wǎng)格上運行，非常類似于計算著色器，并且是將追蹤進入場景光線的起點。它同時負責將光線追蹤算法的最終輸出寫入至內(nèi)存。

5.2 相交著色器（Intersection Shader）

相交著色器實現(xiàn)任意光線-基元相交算法。對于支持應用程序?qū)⒐饩€與不具備內(nèi)置支持的不同類型基元（如球體）相交，它們是否有用。三角形基元具備內(nèi)置支持，不需要相交著色器。

5.3 擊中著色器（Hit Shader）

當發(fā)現(xiàn)光線-基元相交時，將調(diào)用擊中著色器。它們負責計算在交叉點處發(fā)生的交互（如圖形應用程序的光線-材質(zhì)交互），并且可以根據(jù)需要產(chǎn)生新的光線。

有兩種擊中著色器：對于光線以任意順序與場景基元的所有相交，調(diào)用任意擊中著色器（any-hit shader），除了計算著色數(shù)據(jù)之外，它同時可以拒絕相交。最接近擊中著色器（Closest-hit Shader）僅在沿光線的最接近相交點上調(diào)用。

5.4 未擊中著色器（Miss Shader）

當給定光線沒有相交時，調(diào)用未擊中著色器Inter-shader communication

5.5 著色器間通信

在執(zhí)行光線追蹤調(diào)用期間，各個著色器階段需要在彼此之間傳遞數(shù)據(jù)。相交著色器需要輸出相交數(shù)據(jù)，擊中著色器需要消耗相交數(shù)據(jù)并修改一定的任意結(jié)果數(shù)據(jù)，而光線生成著色器則需要使用最終結(jié)果數(shù)據(jù)并將其輸出到內(nèi)存。

光線有效負載是一種任意的，由應用程序定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲沿光線路徑累積的信息。它由啟動光線查詢操作的著色器（通常是光線生成著色器）初始化，并且可以由擊中著色器讀取和修改。它通常用于輸出沿光線路徑累積的材質(zhì)屬性，然后由光線生成著色器將其寫入內(nèi)存。

光線屬性包含從相交著色器傳回至擊中著色器的一組值，包含應用程序需要從相交點測試發(fā)出的任何數(shù)據(jù)。它們封裝在一個由應用程序定義的結(jié)構(gòu)中，由相交著色器編寫，并由該交集點調(diào)用的擊中著色器讀取。對于內(nèi)置的光線-三角形相交著色器，光線屬性是包含沿三角形相交點的重心坐標的vec2。

5.6 GLSL語言映射

相對來說，在Vulkan中啟用光線追蹤只需要更少的著色語言改動。

API定義了五個用于創(chuàng)建GLSL著色器的新著色器階段：用于光線生成著色器的rgen，用于相交著色器的rint，用于最接近擊中著色器的rchit，用于任意擊中著色器的rahit，以及用于未擊中著色器的rmiss。

目前存在數(shù)個新的內(nèi)置變量，具體取決于著色器階段，它們包含有關(guān)各種參數(shù)的信息。這包括當前的光線生成線程ID，基元和實例ID值，當前光線原點，世界和對象空間中的方向，以及沿光線處理的當前相交的T值等等。

為加速結(jié)構(gòu)資源綁定定義一個新的不透明資源類型：accelerationStructureNVX。加速結(jié)構(gòu)以與其他資源類型相同的方式綁定至著色器管道。注意，可以在同一著色器中使用多個加速結(jié)構(gòu)，從而在著色器中對不同的幾何數(shù)據(jù)集進行分層遍歷。

我們同時為用戶定義的類型定義了一些新的存儲限定符：rayPayloadNVX，rayPayloadInNVX和hitAttributeNVX，它們定義了要使用的光線有效負載（并定義了哪個著色器階段擁有給定有效負載的存儲）和擊中屬性類型。增加了一個新的布局限定符shaderRecordNVX，它定義了一個綁定至Shader Binding Table的SSBO。

最后，增加了一系列新的內(nèi)置函數(shù)。這包括將光線發(fā)射至場景的traceNVX()；丟棄一個給定相交點的ignoreIntersectionNVX()；以及在擊中點終止處理光線的terminateRayNVX()。

5.6.1 光線有效負載結(jié)構(gòu)匹配

光線追蹤著色器API允許將任何應用程序定義的結(jié)構(gòu)用作光線有效負載。這個有效負載是在可以生成光線的著色器階段進行定義，并通過引用修改它的擊中著色器階段傳入。

因為GLSL不具有類型多態(tài)性，所以我們不能將traceNVX（）調(diào)用定義為類型多態(tài)。這意味著我們不能將任意類型作為參數(shù)傳遞。針對這個問題，我們設(shè)計了一個基于位置布局限定符來匹配數(shù)據(jù)類型的解決方案。

每個光線有效負載結(jié)構(gòu)都使用rayPayloadNVX限定符，以及一個將其與整數(shù)值相關(guān)聯(lián)的位置布局限定符進行定義。這個整數(shù)值基本上成為有效負載變量的數(shù)字標識符，然后傳入traceNVX（）調(diào)用以代替對實際變量的引用。擊中著色器需要使用rayPayloadInNVX限定符定義與變量相同的數(shù)據(jù)類型，從而令光線追蹤基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒆兞恳暈閷斎氲挠行ж撦d數(shù)據(jù)的引用。

為了說明這個機制，下面是一個簡單光線生成著色器的代碼片段：

你可以看到primaryPayload是我們的光線有效負載。它在定義中賦予了1的位置索引，而且該索引是作為traceNVX（）的最后一個參數(shù)傳入。

對于相應的最接近擊中著色器，它看起來可能是這樣：

可以通過rayPayloadInNVX關(guān)鍵字定義相同的有效負載結(jié)構(gòu)。著色器中可能只存在一個rayPayloadInNVX變量（并且只有擊中著色器和未擊中著色器可以定義它們），因此不需要布局限定符。請注意，匹配的有效負載類型不存在靜態(tài)驗證，不匹配的類型將導致不確定的行為。另外，traceNVX（）調(diào)用中的有效負載值必須是編譯期間的立即值。

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6. Shader Binding Table

API介紹的最后一個新概念是Shader Binding Table（SBT）。這是一個VkBuffer，包含一組統(tǒng)一大小的記錄，由后面緊跟著應用程序定義數(shù)據(jù)的著色器句柄組成。著色器句柄確定哪個著色器為給定SBT記錄運行，同時記錄中的應用程序定義數(shù)據(jù)可作為SSBO提供給著色器。

每個SBT實例都有固定的記錄大小。在每條記錄中，一系列的索引規(guī)則確定光線追蹤基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)將如何獲取下一個著色器要執(zhí)行的句柄和SSBO數(shù)據(jù)。

SBT中的SSBO數(shù)據(jù)旨在指定每個著色器將使用的資源（紋理，統(tǒng)一緩沖區(qū)等）。預期的使用模式是，所有潛在的可訪問資源通過描述符集綁定至管道。然后，SBT將包含數(shù)組中的索引，并指定應該為給定的著色器集使用哪些特定資源。也就是說，從著色器的角度來看，SBT只是“數(shù)據(jù)”，它也可以包含其他類型的信息。

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7. 光線追蹤管道

所需的最后一塊拼圖是光線追蹤管道狀態(tài)對象。光線追蹤管道僅包含一個（可能非常大）光線生成著色器，相交著色器，擊中著色器和未擊中著色器的集合，以及一定的光線追蹤特定參數(shù)（如最大光線遞歸深度）。

由于單個光線追蹤PSO可以包含許多著色器，因此編譯可能非常耗時。通過添加一個接口來允許應用程序控制各個著色器的編譯，我們可以降低這方面的成本。在PSO創(chuàng)建時，VK_PIPELINE_CREATE_DEFER_COMPILE_BIT_NVX這個新flag可以指示驅(qū)動程序避免立即編譯著色器。然后，應用程序必須為每個著色器調(diào)用vkCompileDeferredNVX，以便觸發(fā)編譯工作。這可以跨線程并行化，從而最大限度地縮短編譯時間。

在創(chuàng)建后，可以使用包含新管道綁定點VK_PIPELINE_BIND_POINT_RAYTRACING_NVX的標準Vulkan調(diào)用來將光線追蹤管道對象綁定到圖形或計算隊列。

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8. 啟動工作

在創(chuàng)建加速結(jié)構(gòu)和Shader Binding Table，以及創(chuàng)建和綁定光線追蹤PSO后，現(xiàn)在是時候開始追蹤光線了。

單個Vulkan命令啟動光線追蹤工作：vkCmdTraceRaysNVX。這個命令的參數(shù)指定2D線程網(wǎng)格尺寸，以及要使用的包含SBT的VkBuffer，以及該SBT中用于各種數(shù)據(jù)元素的偏移量（光線生成著色器句柄和SSBO數(shù)據(jù)偏移量，初始擊中著色器句柄和SSBO數(shù)據(jù)偏移量，以及未擊中著色器句柄和相應SSBO數(shù)據(jù)的偏移量）。

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9. 總結(jié)

英偉達已經(jīng)將VK_NVX_raytracing作為開發(fā)者預覽版發(fā)布，支持開發(fā)者熟悉Vulkan中基于RTX的光線追蹤。這可以與LunarG的最新Vulkan SDK一起使用，它支持英偉達所有的圖靈擴展，允許你通過Vulkan開發(fā)光線追蹤的應用程序。

英偉達表示，他們相信Vulkan為這個功能提供了良好的基礎(chǔ)。API內(nèi)置的可擴展性意味著我們可以利用大多數(shù)現(xiàn)有的機制和基礎(chǔ)架構(gòu)，可實現(xiàn)與現(xiàn)有光柵化功能的無縫集成。

文章來源：映維網(wǎng) 如轉(zhuǎn)載請標明出處

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