基于UE4的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)在展示設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

趙偉明

（私立華聯(lián)學(xué)院，廣東廣州，510663）

1 簡(jiǎn)介

隨著人類社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，商品在進(jìn)行交易的過程中，已經(jīng)不再只是簡(jiǎn)單的買賣過程，交易過程中買賣雙方更加注重于對(duì)商品的有效介紹和了解，從而逐漸形成了以商品展示為主題的各種展示活動(dòng)，通過展示來解釋展品宣傳主題，并使買賣雙方能參與其中，達(dá)到完美溝通的目的，從而派生了以商品展示為主題的空間設(shè)計(jì)，而對(duì)展示空間的創(chuàng)作過程，就是所謂的展示設(shè)計(jì)。它是在既定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，運(yùn)用藝術(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，通過對(duì)空間與平面的精心創(chuàng)造，使其產(chǎn)生獨(dú)特的空間范圍，一方面吸引觀眾進(jìn)行參觀，另一方面讓觀眾能快速的對(duì)商品進(jìn)行更全面細(xì)致的了解。

展示設(shè)計(jì)的效果通過渲染進(jìn)行表現(xiàn)，特別隨著VR技術(shù)的不斷完善和普及，人們可以通過信息技術(shù)手段在網(wǎng)上進(jìn)行展示空間參觀，從而對(duì)展示設(shè)計(jì)效果提出了更高的要求，為了滿足人們?cè)谔摂M現(xiàn)實(shí)中能得到更加接近真實(shí)環(huán)境的參觀體驗(yàn)，設(shè)計(jì)渲染對(duì)實(shí)時(shí)的光影效果有更高的要求。

與傳統(tǒng)的掃描線或光柵化渲染方式不同，光線追蹤渲染技術(shù)是三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的特殊渲染算法，通過跟蹤從攝像機(jī)發(fā)出的光線而不是光源發(fā)出的光線，生成編排好的場(chǎng)景的數(shù)學(xué)模型顯現(xiàn)出來。

2 光線追蹤技術(shù)

光線追蹤技術(shù)是一種模擬人類眼睛接收光信息，在視網(wǎng)膜形成圖像的過程，根據(jù)統(tǒng)計(jì)人類的眼睛接收到的光照信息是有限的，正常情況下人的眼睛接收到像素在5億左右，也就是說視網(wǎng)膜的圖像信息可以分拆成5億條非常微小的光線，然后以相反的方式去逆向追蹤這些，并檢測(cè)出這些光線所對(duì)應(yīng)到的場(chǎng)景物體的信息。光線追蹤技術(shù)就是基于這個(gè)物理原理衍生出來，在生成計(jì)算機(jī)圖像過程中，將眼睛模擬抽象成場(chǎng)景中的攝像機(jī)，視網(wǎng)膜模擬抽象成顯示屏幕或膠片，發(fā)出來5億個(gè)光線簡(jiǎn)化成膠片像素，從攝像機(jī)位置與膠片的每個(gè)像素連成一條射線，去追蹤這些射線與場(chǎng)景物體交點(diǎn)的光照信息。

首先把攝像機(jī)的膠片進(jìn)行細(xì)分成網(wǎng)格，就像是屏幕的像素點(diǎn)，目標(biāo)是用來確定每一個(gè)像素點(diǎn)光照信息。對(duì)于每一個(gè)像素，從攝像機(jī)位置發(fā)出并追蹤這一條光線，指向該像素點(diǎn)。接下來通過對(duì)這束光線進(jìn)行追蹤，判斷其是否和場(chǎng)景中的物體相交。如果相交，則計(jì)算物體表面交點(diǎn)的顏色值。并把該點(diǎn)的顏色值記錄為該像素的顏色值。如果不相交，則直接將場(chǎng)景的背景色填充到當(dāng)前像素中去，然后繼續(xù)處理下一個(gè)像素，不斷循環(huán)直到所有的像素點(diǎn)都跑得到相應(yīng)的值，如圖1。

圖1

3 像素的顏色值生成原理

像素的顏色值生成，每一個(gè)像素的顏色值生成根據(jù)物體表面性質(zhì)和不同類型光線計(jì)算得出，用來確定交點(diǎn)的信息，作為當(dāng)前像素點(diǎn)的顏色值。

3.1 陰影

陰影的確定(圖2)，首先檢查每個(gè)光源在該交點(diǎn)的貢獻(xiàn)值。再?gòu)脑擖c(diǎn)出發(fā)追蹤一條指向光源，該光線主要是用來確定交點(diǎn)是被光源全部照亮、部分照亮還是沒有被照亮，如果這條光線在到達(dá)光源之前不相交于任何物體，則這個(gè)光源對(duì)該交點(diǎn)有貢獻(xiàn)值；否則，該交點(diǎn)位于該光源的陰影處。

圖2

3.2 反射

在具有反射性質(zhì)的物體表面（圖3），當(dāng)光線到過物體表面就會(huì)產(chǎn)生反射，這時(shí)需要先計(jì)算初始光線的反射光線，然后追蹤這條反射光線，這樣在交點(diǎn)處就會(huì)有部分光將會(huì)被反射出去，繼續(xù)在場(chǎng)景中前進(jìn)。根據(jù)Snell定律，一條新的光線將會(huì)從交點(diǎn)發(fā)出，在場(chǎng)景中繼續(xù)傳播。

圖3

Snell定律是指光的折射定律（公式1），θ1和θ2分別是入射光（或折射光）與界面法線的入射角和折射角，n1和n2分別入射光線和折射光線在兩個(gè)介質(zhì)的折射率。

3.3 折射

當(dāng)光線到達(dá)具有折射性質(zhì)并且部分透明的物體表面時(shí)（圖4），光線在物體的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生折射，那么需要計(jì)算初始光線的折射光線，折射光線會(huì)從物體的另一個(gè)交點(diǎn)射出，然后追蹤這條折射光線，部分光線將會(huì)進(jìn)入物體繼續(xù)傳播。根據(jù)Snell定律，一條新的光線將會(huì)從交點(diǎn)發(fā)出進(jìn)入物體。

圖4

4 基于PBRT光線追蹤

光線追蹤算法是把視點(diǎn)作為起點(diǎn)，向場(chǎng)景發(fā)射光線，然后根據(jù)光線與物體表面的交點(diǎn)的材質(zhì)進(jìn)行BXDF、BRDF的運(yùn)算，在交點(diǎn)為處是否存在漫反射、鏡面反射或者折射，如此遞歸循環(huán)直到光線逃離場(chǎng)景或者到達(dá)最大反射次數(shù)。PBRT基于光線追蹤技術(shù)，因而定義一條射線與場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行相交測(cè)試：

PBRT使用Ray表示一條射線，起始點(diǎn)o，方向d。在三維空間中使用的透視投影，起始點(diǎn)位于攝像機(jī)原點(diǎn)（0,0,0），方向指向像素點(diǎn)。

射線與場(chǎng)景中的幾何物體進(jìn)行相交測(cè)試，相交信息保存在SurfaceInteraction：

保存了相交點(diǎn)坐標(biāo)p,法向量n，uv坐標(biāo)，以及相交對(duì)象的指針shape。如果對(duì)象是二次曲面，如：球面，相交點(diǎn)的坐標(biāo)可以用球面坐標(biāo)(θ,φ)(θ∈[0,π],φ∈[0,2π])來表示，該坐標(biāo)又可以轉(zhuǎn)化為0到1范圍內(nèi)的(u, v)坐標(biāo)：u=φ/2π，v=θ/π。如果對(duì)象是三角面，那么這時(shí)的uv坐標(biāo)由建模工具提供，uv坐標(biāo)由定義在三角形三個(gè)頂點(diǎn)的值插值得到。相交點(diǎn)的幾何法向量由相交位置p關(guān)于uv坐標(biāo)的兩個(gè)偏導(dǎo)數(shù)的叉積得到。

通過PBRT得到每一個(gè)相交信息，接下來確定該相交點(diǎn)著色，根據(jù)交點(diǎn)與場(chǎng)景中的光源進(jìn)行相交情況，判斷交點(diǎn)是否處于光照下，由反射模型（BRDF、BTDF和BSSRDF，以下簡(jiǎn)稱為BxDF）確定反射多少光，PBRT的材質(zhì)確定表面使用哪些反射模型，紋理則提供表面的外觀屬性。最終，沿著原始射線的相反方向返回到攝像機(jī)的光，如果光在傳播過程被場(chǎng)景中的其它因素吸收或增強(qiáng)，這個(gè)過程則由體積散射處理。

5 UE4光線追蹤應(yīng)用

UE4從4.22版本開始支持使用Windows 10 RS5更新光線追蹤和路徑追蹤的功能。此功能能夠完全利用NVIDIA RTX系列顯卡的DirectX 12和DirectX光線追蹤。光線追蹤功能由一系列的光線追蹤著色器和光線追蹤效果組成。借助這些功能可以實(shí)時(shí)構(gòu)建自然而真實(shí)的光照效果。前期設(shè)置：打開項(xiàng)目設(shè)置（編輯-項(xiàng)目設(shè)置）界面。找到項(xiàng)目設(shè)置的平臺(tái)-窗口頁(yè)，把Default RHI選成DirectX 12，如圖 5。

圖5

再找到渲染頁(yè)Rendering，勾選光線追蹤（Ray tracing）。勾選光線追蹤之后，編輯器會(huì)提示是否重啟，點(diǎn)擊是即可，如圖6。然后在啟動(dòng)UE工程時(shí)附加-d3d12標(biāo)記，即可直接啟用DX12模式渲染。

圖6

重啟完編輯器，等待著色器全部編譯完成，便可以往設(shè)定環(huán)境添加后處理體積，這樣可以方便啟用光線追蹤的相關(guān)特性，調(diào)節(jié)各類參數(shù)及其影響范圍。如：光線追蹤的陰影，可模擬在多光源的情況下空間環(huán)境中過渡性軟陰影、區(qū)域陰影、模型的自陰影、復(fù)雜的遮擋陰影等；光線追蹤的反射，則可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反射場(chǎng)景的任意物體，完全不受平面反射、立方體圖等的限制，使到所渲染的結(jié)畫面更加真實(shí)，融入場(chǎng)景內(nèi)；光線追蹤的透明可以精確地模擬玻璃、流體等材質(zhì)的物理正確的反射、吸收、折射等表面特性。

6 結(jié)論

光線追蹤技術(shù)可以精確地反映復(fù)雜的反射、折射、透射、陰影等物理特性，而傳統(tǒng)的展示設(shè)計(jì)在三維設(shè)計(jì)軟件中的設(shè)計(jì)制作出來的效果圖與真實(shí)環(huán)境有較大的不同。通過引入基于UE4的實(shí)時(shí)光線追蹤技術(shù)在展示設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，豐富、增強(qiáng)圖像光影效果等優(yōu)點(diǎn)。借助UE4引擎圖像處理技術(shù)，圖像的真實(shí)感得到很大的提高，滿足不同環(huán)境下光影效果的表現(xiàn)，但該技術(shù)還存在一些缺陷，需要進(jìn)一步改進(jìn)，使其應(yīng)用和推廣價(jià)值得到進(jìn)一步提高。