NVIDIA的黑科技3：VXGI體素全局光照

2025-04-02 02:12:26

每一個行業都有自己的「聖杯」，例如能源方面的核聚變、醫藥方面的癌症特效藥以及空間探索方面的超光速推進力。任何領域中「聖杯」的定義都是難以實現和代價高昂的，或者完全是科幻產物。也許這就是我們之所以對此心馳神往的原因所在。

計算機圖形領域的「聖杯」就是「實時全局光照」。全局光照是一種渲染遊戲環境的方法，它通過模擬光線的行為，從而體現各個表面之間的光線反射效果。然而以光子級別進行自然仿真處理是一項代價高昂的事業，電影中僅僅是有選擇地利用全局光照來渲染複雜的CG場景，就是因為這個原因。

這一情況即將有所改變。憑藉次世代Unreal Engine 4（虛幻4）引擎，遊戲將首次具備實時全局光照渲染效果。而這項技術是由NVIDIA圖形工程師與EPIC開發者共同完成的，NVIDIA將其稱為Voxel Global Illumination（VXGI，立體像素全局光照）。

● 什麼是全局光照？它為什麼對遊戲逼真度來說如此重要？

首先來看一組對比截圖：

傳統直接光照效果

全局光照效果

區別很明顯吧？通俗的講，直接光照就是簡單的模擬一個或多個光源的照射效果，在相應的位置投射出光和影；而全局光照就是考慮到了光線的直射與儘可能多的漫反射效果，最終呈現出來的光影效果更接近於現實世界。

全局光照指的是對場景周圍光線反射的計算。全局光照負責製作出現實環境中的許多細微著色特效、氣氛以及有光澤的金屬反射效果。自1995年在虛幻1中採用實時直接光照以來，虛幻4引擎中的實時全局光照是在光照方面實現的最大突破！

● 在沒有全局光照技術之前，遊戲是如何實現更逼真光影效果的？

也許有人會說了，現有的遊戲其實光影效果還是不錯的，並不像上圖1所示那麼差。沒錯，上圖的對比是比較直接的、沒有附加特效的，其實遊戲中還有其它的方法來提高畫面真實度，最常見的就是Ambient Occlusion（AO，環境光遮蔽）技術。

目前非常先進的水平環境光遮蔽技術 (Horizon Based Ambient Occlusion，HBAO)

但不管是什麼級別的AO，都是對光照與陰影的一種模擬，可以說是預處理，開發者認為此處的陰影的顏色應該深一些、或者淺一些、或者柔和一些，所以才會加上去的，而不是通過複雜的光影算法來直接生成的。

● 喜歡濃妝豔抹還是清新素雅？

我們知道傳統的圖形渲染分為立體建模（頂點著色）和像素著色兩個部分，其中像素都是2D平面狀的，平鋪在模型表面，而光影效果都是需要預先計算每個像素的光照或陰影，就是根據遊戲的需要來改變像素顏色。

這種對每個像素反覆進行塗抹修飾的做法，既不逼真、也很低效，因為像素顯示的並不是真正的光影效果，而是我們認為應該顯示的效果，而且越來越多的預處理特效對GPU的ROP（光柵單元）和顯存造成了很大的負擔。

● VXGI立體像素全局光照：2D平面像素變為3D立體像素

NVIDIA使用了一種非常巧妙的方法，從根本上改變了虛假的光影處理流程。

傳統遊戲中，所有間接光照（某一表面反射出來的光線）是預先計算的，存儲於有光線貼圖之稱的紋理內。光線貼圖讓遊戲場景能夠具備類似全局光照的效果，但是因為它們是預先計算的，所以只在靜態物體上有效。

VXGI完全拋棄了將光線貼圖存儲於2D紋理中的做法，而是將其存儲於立體像素中。立體像素就是三維像素，它具有體積，類似於樂高積木。

立體像素採用樹狀結構分布，以便能夠對其進行高效地定位。當渲染一個像素時，它能夠有效地詢問立體像素樹: 「哪一個立體像素對我來說是可見的？」根據這一信息，就能夠決定接收的間接光線數量（全局光照）。

VXGI完全消除了預先計算的光照，以存儲於樹狀結構的立體像素取而代之，這種樹會根據每一幀而更新，所有像素均利用它來收集光照信息。

● VXGI立體像素全局光照：每顆立體像素都是「手電筒」

現在到了最關鍵的地方，立體像素看起來好像比馬賽克更加稀疏，但是所有可見的立體像素都可以執行錐形聚焦光線追蹤（給出起點、方向和角度），這樣就能沿著小範圍的錐形路徑生成大致的光線漫反射效果。

每一個立體像素都可以進行多個錐形追蹤，遊戲中需要根據實際光源的大致方向及反射表面的情況，來設定錐形範圍及追蹤數量。

實現最終的效果沒有捷徑，就是通過GPU強大的運算能力，讓錐形追蹤足夠快，以使我們能夠實時地對每個立體像素執行一次或多次追蹤。對每個像素執行六次寬幅錐形追蹤 (每個主要方向各一次) 會生成大致的二次反射間接光照效果。以鏡面反射方向執行窄幅錐形追蹤能夠呈現金屬反射效果，在這種反射效果中，每個有光澤的表面都能夠反射出整個場景。

● 虛幻4引擎完美支持VXGI，Maxwell顯卡運行效率更高

值得一提的是，VXGI提算全局光照技術嚴重依賴於GPU的浮點運算（通用計算），而不是傳統的圖形流水線，因此大大減輕了GPU光柵單元的負擔。另外，NVIDIA稱Maxwell架構對VXGI的運算進行了針對性的優化，新一代顯卡在執行體素全局光照時的效率會更高。