NVIDIA的黑科技3：VXGI体素全局光照

    每一个行业都有自己的“圣杯”，例如能源方面的核聚变、医药方面的癌症特效药以及空间探索方面的超光速推进力。 任何领域中“圣杯”的定义都是难以实现和代价高昂的，或者完全是科幻产物。也许这就是我们之所以对此心驰神往的原因所在。

    计算机图形领域的“圣杯”就是“实时全局光照”。全局光照是一种渲染游戏环境的方法，它通过模拟光线的行为，从而体现各个表面之间的光线反射效果。然而以光子级别进行自然仿真处理是一项代价高昂的事业，电影中仅仅是有选择地利用全局光照来渲染复杂的CG场景，就是因为这个原因。

    这一情况即将有所改变。凭借次世代Unreal Engine 4（虚幻4）引擎，游戏将首次具备实时全局光照渲染效果。而这项技术是由NVIDIA图形工程师与EPIC开发者共同完成的，NVIDIA将其称为Voxel Global Illumination（VXGI，立体像素全局光照）。

● 什么是全局光照？它为什么对游戏逼真度来说如此重要？

    首先来看一组对比截图：

传统直接光照效果

全局光照效果

    区别很明显吧？通俗的讲，直接光照就是简单的模拟一个或多个光源的照射效果，在相应的位置投射出光和影；而全局光照就是考虑到了光线的直射与尽可能多的漫反射效果，最终呈现出来的光影效果更接近于现实世界。

    全局光照指的是对场景周围光线反射的计算。全局光照负责制作出现实环境中的许多细微着色特效、气氛以及有光泽的金属反射效果。自1995年在虚幻1中采用实时直接光照以来，虚幻4引擎中的实时全局光照是在光照方面实现的最大突破！

● 在没有全局光照技术之前，游戏是如何实现更逼真光影效果的？

    也许有人会说了，现有的游戏其实光影效果还是不错的，并不像上图1所示那么差。没错，上图的对比是比较直接的、没有附加特效的，其实游戏中还有其它的方法来提高画面真实度，最常见的就是Ambient Occlusion（AO，环境光遮蔽）技术。

目前非常先进的水平环境光遮蔽技术 (Horizon Based Ambient Occlusion，HBAO)

    但不管是什么级别的AO，都是对光照与阴影的一种模拟，可以说是预处理，开发者认为此处的阴影的颜色应该深一些、或者浅一些、或者柔和一些，所以才会加上去的，而不是通过复杂的光影算法来直接生成的。

● 喜欢浓妆艳抹还是清新素雅？

    我们知道传统的图形渲染分为立体建模（顶点着色）和像素着色两个部分，其中像素都是2D平面状的，平铺在模型表面，而光影效果都是需要预先计算每个像素的光照或阴影，就是根据游戏的需要来改变像素颜色。

    这种对每个像素反复进行涂抹修饰的做法，既不逼真、也很低效，因为像素显示的并不是真正的光影效果，而是我们认为应该显示的效果，而且越来越多的预处理特效对GPU的ROP（光栅单元）和显存造成了很大的负担。

● VXGI立体像素全局光照：2D平面像素变为3D立体像素

    NVIDIA使用了一种非常巧妙的方法，从根本上改变了虚假的光影处理流程。

    传统游戏中，所有间接光照（某一表面反射出来的光线）是预先计算的，存储于有光线贴图之称的纹理内。光线贴图让游戏场景能够具备类似全局光照的效果，但是因为它们是预先计算的，所以只在静态物体上有效。

    VXGI完全抛弃了将光线贴图存储于2D纹理中的做法，而是将其存储于立体像素中。立体像素就是三维像素，它具有体积，类似于乐高积木。

    立体像素采用树状结构分布，以便能够对其进行高效地定位。当渲染一个像素时，它能够有效地询问立体像素树: “哪一个立体像素对我来说是可见的？”根据这一信息，就能够决定接收的间接光线数量（全局光照）。

    VXGI完全消除了预先计算的光照，以存储于树状结构的立体像素取而代之，这种树会根据每一帧而更新，所有像素均利用它来收集光照信息。

● VXGI立体像素全局光照：每颗立体像素都是“手电筒”

    现在到了最关键的地方，立体像素看起来好像比马赛克更加稀疏，但是所有可见的立体像素都可以执行锥形聚焦光线追踪（给出起点、方向和角度），这样就能沿着小范围的锥形路径生成大致的光线漫反射效果。

    每一个立体像素都可以进行多个锥形追踪，游戏中需要根据实际光源的大致方向及反射表面的情况，来设定锥形范围及追踪数量。

    实现最终的效果没有捷径，就是通过GPU强大的运算能力，让锥形追踪足够快，以使我们能够实时地对每个立体像素执行一次或多次追踪。对每个像素执行六次宽幅锥形追踪 (每个主要方向各一次) 会生成大致的二次反射间接光照效果。以镜面反射方向执行窄幅锥形追踪能够呈现金属反射效果，在这种反射效果中，每个有光泽的表面都能够反射出整个场景。

● 虚幻4引擎完美支持VXGI，Maxwell显卡运行效率更高

    值得一提的是，VXGI提算全局光照技术严重依赖于GPU的浮点运算（通用计算），而不是传统的图形流水线，因此大大减轻了GPU光栅单元的负担。另外，NVIDIA称Maxwell架构对VXGI的运算进行了针对性的优化，新一代显卡在执行体素全局光照时的效率会更高。

VXGI现已加入UE4豪华DEMO

    虚幻4引擎已经完整支持了VXGI技术，最新的虚幻4技术演示Demo已呈现除了非常惊人的光照效果，不久之后，将会有一大批使用虚幻4引擎的游戏大作问世，届时Maxwell架构的显卡将会有更佳的性能表现。