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英伟达详述面向Vulkan的实时光线追踪技术

来源:https://yivian.com

英伟达新推出的图灵显卡首次在消费者GPU中实现了实时光线追踪。自此,社区开始讨论DirectX 12中的光线追踪。然而,一系列的开发者都希望能够通过Vulkan(Khronos Group支持的low-level API)实现这一点,从而带来更为开放的策略。Vulkan令开发者能够针对众多不同的平台,包括Windows和Linux,从而允许更广泛地分发3D加速的应用程序。英伟达的411.63驱动程序现在启用了一个实验性的Vulkan扩展,它通过Vulkan API公开(expose)了英伟达用于实时光线追踪的RTX技术。


这个名为VK_NVX_raytracing的扩展属于开发者预览版。扩展程序面向希望熟悉API概念并开始测试相关功能的开发者。正如“NVX”前缀所示,这个API尚未最终确定,并且有可能在最终版本发布之前进行一定的更改。


英伟达详述面向Vulkan的实时光线追踪技术


日前,英伟达开发技术工程师Nuno Subtil向我们详细介绍了面向Vulkan的实时光线追踪技术,以下是映维网的具体整理:


1. 光线追踪API的演变


在英伟达,GPU加速的光线追踪成为研究课题已有超过10年的时间。


GPU逐渐发展成为功能强大的光栅化机器。为架构添加可编程性可?#28304;?#24314;基于光栅化的复杂算法。这种可编程性令GPU能够处理更复杂的计算问题,并最终促成了英伟达GPU计算平台CUDA的推出。英伟达的GPU加速光线追踪研究专注于通过CUDA编程模型公开(expose)光线追踪。


英伟达努力的首个可见结果之一是OptiX,一种用于加速光线投射应用的通用SDK。英伟达在2010年SIGGRAPH大会发布的 论文 细介绍了针对OptiX的API设计研究,并包含了今天用于实时光线追踪的关键创建模块。图1是论文的摘录。


图1:早期论文的摘录,其详细介绍了关于OptiX API的研究


英伟达围绕OptiX所做的努力,特别是为了令其变得越来越高效和可扩展而进行的研发工作,最终在实时光线追踪(RTX)达到了顶峰。RTX是算法,计算机图形和GPU架构10多年研究的产物,它使得实时光线追踪应用程序能够在英伟达的GPU?#26174;?#34892;。RTX利用了英伟达所有的研究工作和硬件改进,是创建实时光线追踪API的基础。


2. 为Vulkan带来光线追踪


英伟达Vulkan光线追踪扩展(简称“VKRay?#20445;?#32972;后的关键设计原则利用了他们之前关于光线追踪API的研究。VKRay建立在经过验证和现场测试的API概念之?#24076;?#20854;足够灵活,可以支持各种各样的应用程序,并同时仍然提供了运行应用程序利用未来研究的抽象层。


Vulkan是一个跨硬件API,而英伟达已经确保VKRay实现跨硬件支持。整个API可以在现有的Vulkan计算功能之上实现。英伟达同时在全力确保这个扩展符合现有的Vulkan API概念。内存分配,资源处理和着色器语言/字节码的处理方式与核心Vulkan API规定的方式相同。


3. 光线追踪管道


通过光线追踪管道的数据流不同于传统的光栅管道。图2比较了两个管道。


一般认为灰色块不可编程。随着底层实现的成熟,这一切都随着时间的推移而不断发展和改进。白色块代表完全可编程的阶段。钻石形阶段是调度工作发生的地方。


与光栅化不同,光线追踪所执行的工作“单位(光线)”数量取决于先前工作单位的结果。这意味着新的工作能够通过可编程阶段产生,并直接馈送回管道。


英伟达光线追踪API包含四个关键组件:


加速结构


用于光线追踪的新shader domain


Shader Binding Table


光线追踪管道对象


4. 加速结构


传统的光栅化涉及独立处理每一个几何图元。相比之下,光线追踪针对所有场景基元测试每条光线,而这样做的成本十分昂贵。


大多数光线追踪器是实现?#25345;中问?#30340;加速结构,从而快速拒绝基元,英伟达的API将其公开(expose)为“一等公民”。加速结构(acceleration structure)是一个对象,它为场景中的基元保存几何信息,以这样的方式进行预处理,从而能够流畅地拒绝潜在的光线-基元交叉点。这是可以进行光线追踪的API基元。


加速结构(acceleration structure,AS)作为不透明的,实现定义的数据结构公开(expose),不?#35272;?#20110;任?#20301;?#30784;算法或剔除方法。它建模为两级结构:bottom-level AS节点包含几?#38382;?#25454;,而top-level AS节点则包含对底层节点的引用列表,以及相关的变换和着色信息。图3概述了结构之间的关系。


英伟达详述面向Vulkan的实时光线追踪技术


可?#20801;?#29992;VkBuffer对象中的现有几?#26410;?#24314;加速结构。创建AS的过程分为两步:首先创建bottom-level节点,然后生成top-level节点。


所有创建/更新操作都发生在GPU?#24076;?#22914;图4所示。在这个情形下,?#25353;?#24314;”意味着从零开始创建新对象(如在初始设置场景时),而“更新”则意味着我们通过新数据来更新现有对象(如当角色在现有场景中移动时)。尽管创建和更新操作都旨在以非常高效的方式进行,但两者都存在一定的限制,尤其是更新。


在API Level,我们定义一个新的Vulkan对象类型:VkAccelerationStructureNVX。对象的每个实例都在top-level AS节点或bottom-level封装。我们同时定义了一个新的资源描述符类型VK_DESCRIPTOR_TYPE_ACCELERATION_STRUCTURE_NVX,主要用于将AS对象绑定至着色器。


对象创建和消除遵循一般的Vulkan?#29420;?#36890;过调用vkCreateAccelerationStructureNVX创建加速结构节点,这会返回不透明句柄。然后,这个句柄可与vkGetAccelerationStructureMemoryRequirementsNVX一起使用,以获取有关该加速结构需要的内存类型和内存量信息。接下来,可?#20801;?#29992;vkAllocateMemory分配内存,并通过调用vkBindAccelerationStructureMemoryNVX将其绑定至该对象。


4.1 管理加速结构内存


加速结构创建/更新操作需要一定的临时“暂存(scratch memory)”。可以通过调用vkGetAccelerationStructureScratchMemoryRequirementsNVX来查询这一内存。


暂存(scratch memory)以常规VkBuffer对象的?#38382;?#20986;现,根据实现返回的内存要求进行分配。这将作为创建/更新命令的?#38382;?#36827;行传入。


AS对象所需的内存量取决于传入的特定几?#38382;?#25454;。因此,vkGetAccelerationStructureMemoryRequirementsNVX返回的数据是特定对象所需内存量的上限。创建结构后,可?#20801;?#29992;vkCmdWriteAccelerationStructurePropertiesNVX命令,让GPU将给定AS对象的压缩大小写入Vulkan查询对象,而这可以在CPU进行读取。然后,可?#20801;?#29992;它来分配具有所需内存量的单独AS对象,并且可?#20801;?#29992;vkCmdCopyAccelerationStructureNVX来将原始AS对象压缩为新的AS对象。


4.2 加速结构创建/更新执行


AS创建/更新命令在GPU?#29616;?#34892;,可以提交给图?#20301;?#35745;算队列。API允许实现并行化连续的创建/更新命令,从而最大化GPU利用率。


在创建/更新命令之间重用暂存缓冲区时应小?#27169;?#22240;为它们的执行可能会重叠。为确保正确,我们需要barrier同时,使用新的存储器访问flag位VK_AC CES S_ACCELERATION_STRUCTURE_R EA D_BIT_NVX和VK_ACCESS_ACCELERATION_STRUCTURE_WRITE_BIT_NVX:应该在暂存缓冲区上的缓冲存储器barrier中使用它们,然后再将相同的缓冲区用于另一个操作,并用在全局存储器barrier?#24076;?#20174;而确保AS创建/更新在AS对象用于光线追踪之前完成更新。


为了最大化重叠,建议为多个创建/更新操作分配足够的临时缓冲区内存,并为每个连续操作分配不同的内存区域。分配多少内存取决于应用程序对加速结构创建性能的敏感程度,以及使用的加速结构量。


5. 光线追踪shader domain


为了向Vulkan API公开(expose)光线追踪功能,我们定义一组新的shader domain,以及用于着色器间通信的基元。图5?#24471;?#20102;流程。


5.1 光线生成着色器(Ray Generation Shader)


光线生成着色器开始所有的光线追踪工作。光线生成着色器在线程的2D网格?#26174;?#34892;,非常类似于计算着色器,并且是将追踪进入场景光线的起点。它同时负责将光线追踪算法的最终输出写入至内存。


5.2 相交着色器(Intersection Shader)


相交着色器实现?#25105;?#20809;线-基元相交算法。对于支持应用程序将光线与不具?#25913;?#32622;支持的不同类型基元(如球体)相交,它们是否有用。三?#20999;位?#20803;具?#25913;?#32622;支持,不需要相交着色器。


5.3 击中着色器(Hit Shader)


当发现光线-基元相交时,将调用击中着色器。它们负责计算在交叉点处发生的交互(如图形应用程序的光线-材?#24335;换ィ?#24182;且可以根据需要产生新的光线。


有两种击中着色器:对于光线以?#25105;?#39034;序与场景基元的所有相交,调用?#25105;?#20987;中着色器(any-hit shader),除了计算着色数据之外,它同时可以拒绝相交。最接近击中着色器(Closest-hit Shader)仅在沿光线的最接近相交点?#31995;?#29992;。


5.4 未击中着色器(Miss Shader)


当给定光线没有相交时,调用未击中着色器Inter-shader communication


5.5 着色器间通信


在执行光线追踪调用期间,各个着色器阶段需要在彼此之间传递数据。相交着色器需要输出相交数据,击中着色器需要消耗相交数据并修改一定的?#25105;?#32467;果数据,而光线生成着色器则需要使用最终结果数据并将其输出到内存。


光线?#34892;?#36127;载是一种?#25105;?#30340;,由应用程序定义的数据结构,用于存储沿光线路?#29420;?#31215;的信息。它由启动光线查询操作的着色器(通常是光线生成着色器)初始化,并且可以由击中着色器读取和修改。它通常用于输出沿光线路?#29420;?#31215;的材质属性,然后由光线生成着色器将其写入内存。


光线属性包含从相交着色器传回至击中着色器的一组值,包含应用程序需要从相交点测试发出的任?#38382;?#25454;。它们封装在一个由应用程序定义的结构中,由相交着色器编写,并由该交集点调用的击中着色器读取。对于内置的光线-三角形相交着色器,光线属?#20801;?#21253;含沿三角形相交点的重心坐标的vec2。


5.6 GLSL语言映射


相对?#27492;擔?#22312;Vulkan中启用光线追踪只需要更少的着色语言改动。


API定义了五个用于创建GLSL着色器的新着色器阶段:用于光线生成着色器的rgen,用于相交着色器的rint,用于最接近击中着色器的rchit,用于?#25105;?#20987;中着色器的rahit,以及用于未击中着色器的rmiss。


目?#25353;?#22312;数个新的内置变量,具体取决于着色器阶段,它们包含有关各种?#38382;?#30340;信息。这包括当前的光线生成线程ID,基元和实例ID值,当前光线原点,世界和对象空间中的方向,以及沿光线处理的当前相交的T值等?#21462;?


为加速结构资源绑定定义一个新的不透明资源类型:accelerationStructureNVX。加速结构以与其他资源类型相同的方式绑定至着色器管道。注意,可以在同一着色器中使用多个加速结构,从而在着色器中对不同的几?#38382;?#25454;集进行分层遍历。


我们同时为用户定义的类型定义了一些新的存储限定符:rayPayloadNVX,rayPayloadInNVX和hitAttributeNVX,它们定义了要使用的光线?#34892;?#36127;载(并定义了哪个着色器阶段拥有给定?#34892;?#36127;载的存储)和击中属性类型。增加了一个新的布局限定符shaderRecordNVX,它定义了一个绑定至Shader Binding Table的SSBO。


最后,增加了一系列新的内置函数。这包括将光线发射至场景的traceNVX();丢弃一个给定相交点的ignoreIntersectionNVX();以及在击中点终止处理光线的terminateRayNVX()。


5.6.1 光线?#34892;?#36127;载结构匹配


光线追踪着色器API允许将任何应用程序定义的结构用作光线?#34892;?#36127;载。这个?#34892;?#36127;载是在可以生成光线的着色器阶段进行定义,并通过引用修改它的击中着色器阶?#26410;?#20837;。


因为GLSL不具有类型多态性,所以我们不能将traceNVX()调用定义为类型多态。这意味着我们不能将?#25105;?#31867;型作为?#38382;?#20256;递。针对这个问题,我们设计了一个基于位置布局限定符来匹配数据类型的解决方案。


每个光线?#34892;?#36127;载结构都使用rayPayloadNVX限定符,以及一个将其与整数值相关联的位置布局限定符进行定义。这个整数值基本上成为?#34892;?#36127;载变量的数字标识符,然后传入traceNVX()调用?#28304;?#26367;对实?#26102;?#37327;的引用。击中着色器需要使用rayPayloadInNVX限定符定义与变量相同的数据类型,从而令光线追踪基础结构能够将变量视为?#20801;?#20837;的?#34892;?#36127;载数据的引用。


为了?#24471;?#36825;个机制,下面是一个简单光线生成着色器的代码片段:


你可以看到primaryPayload是我们的光线?#34892;?#36127;载。它在定义中赋予了1的位置索引,而且该索引是作为traceNVX()的最后一个?#38382;?#20256;入。


对于相应的最接近击中着色器,它看起来可能是这样:


可以通过rayPayloadInNVX关键字定义相同的?#34892;?#36127;载结构。着色器中可能只存在一个rayPayloadInNVX变量(并且只有击中着色器和未击中着色器可以定义它们),因此不需要布局限定符。请注意,匹配的?#34892;?#36127;载类型不存在静态验证,不匹配的类型将导致不确定的行为。另外,traceNVX()调用中的?#34892;?#36127;载?#24403;?#39035;是编译期间的立即值。


更多关于GLSL语言映射的信息,请访问 这个页面


6. Shader Binding Table


API介绍的最后一个新概念是Shader Binding Table(SBT)。这是一个VkBuffer,包含一组统一大小的记录,由后面紧跟着应用程序定义数据的着色器句柄组成。着色器句柄确定哪个着色器为给定SBT记录运行,同时记录中的应用程序定义数据可作为SSBO提供给着色器。


每个SBT实例?#21152;?#22266;定的记录大小。在每条记录中,一系列的索引规则确定光线追踪基础结构将如?#20301;?#21462;下一个着色器要执行的句柄和SSBO数据。


SBT中的SSBO数据旨在指定每个着色器将使用的资源(纹理,统一缓冲区等)。预期的使用模式是,所有潜在的可访问资源通过描述符集绑定至管道。然后,SBT将包含数组中的索引,并指定应该为给定的着色器集使用哪些特定资源。也就是说,从着色器的角度来看,SBT只是“数据?#20445;?#23427;?#37096;?#20197;包含其他类型的信息。


更多关于Shader Binding Table的信息,请访问 这个页面 。


7. 光线追踪管道


所需的最后一块拼图是光线追踪管道状态对象。光线追踪管道仅包含一个(可能非常大)光线生成着色器,相交着色器,击中着色器和未击中着色器的集?#24076;?#20197;及一定的光线追踪特定?#38382;?#22914;最大光线递归深度)。


由于单个光线追踪PSO可以包含许多着色器,因此编译可能非常耗时。通过添加一个接口来允许应用程序控制各个着色器的编译,我们可以降低这方面的成本。在PSO创建时,VK_PIPELINE_CREATE_DEFER_COMPILE_BIT_NVX这个新flag可以指示驱动程序避免立即编译着色器。然后,应用程序必须为每个着色器调用vkCompileDeferredNVX,以便触发编译工作。这可以跨线程并行化,从而最大限度地缩短编译时间。


在创建后,可?#20801;?#29992;包含新管道绑定点VK_PIPELINE_BIND_POINT_RAYTRACING_NVX的标准Vulkan调用来将光线追踪管道对象绑定到图?#20301;?#35745;算队列。


更多关于光线追踪管?#26469;?#24314;的信息,请访问 这个页面 。


8. 启动工作


在创建加速结构和Shader Binding Table,以?#25353;?#24314;和绑定光线追踪PSO后,现在是时候开始追踪光线了。


单个Vulkan命令启动光线追踪工作:vkCmdTraceRaysNVX。这个命令的?#38382;?#25351;定2D线程网格尺寸,以及要使用的包含SBT的VkBuffer,以及该SBT中用于各种数据元素的偏移量(光线生成着色器句柄和SSBO数据偏移量,初始击中着色器句柄和SSBO数据偏移量,以及未击中着色器句柄和相应SSBO数据的偏移量)。


更多关于vkCmdTraceRaysNVX的信息,请访问 这个页面 。


9. 总结


英伟达已经将VK_NVX_raytracing作为开发者预览版发布,支持开发者熟悉Vulkan中基于RTX的光线追踪。这可以与LunarG的最新Vulkan SDK一起使用,它支持英伟达所有的图灵扩展,允许你通过Vulkan开发光线追踪的应用程序。


英伟达表示,他们相信Vulkan为这个功能提供了良好的基础。API内置的可扩展性意味着我们可以利用大多数现有的机制和基础架构,可实现与现有光栅化功能的无缝集成。


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