2016年5月，我們啟動了一個項目，將虛幻4引擎運行在PowerVR GR6500系統(tǒng)上，起初是在常規(guī)光柵模式下，但不久后增加l了對光線追蹤功能的支持。由于虛幻4引擎代碼庫的架構，默認僅在移動平臺上支持OpenGL ES 2.x和3.x，且在Linux系統(tǒng)只支持桌面版OpenGL 4.x。同時我們也決定擴展Vulkan跨平臺API，使得在桌面版Linux主機上支持我們的“移動端”GPU。

我們只花了幾周時間就熟悉了Yaakuro所做的工作，并根據(jù)當前虛幻4引擎代碼庫對其項目進行了更新，實現(xiàn)了在英偉達GPU上移植Vulkan API。從次以后就可以簡單地實現(xiàn)Vulkan設備管理切換為GR6500板卡，并使用Imagination開發(fā)的Vulkan驅(qū)動程序，只需要對SDL庫做些微小的調(diào)整就可以讓引擎好像是在X window上渲染，實際上是在渲染評估系統(tǒng)HDMI的輸出畫面。

項目停頓了一段時間，因為我們已經(jīng)非常熟悉虛幻4引擎的代碼庫，并且與在UK的工程師協(xié)作完成和穩(wěn)定了Vulkan驅(qū)動程序，同時我們開始計劃使用Vulkan光線追蹤擴展API向虛幻引擎中添加基礎的光線追蹤功能。

最初階段涉及到調(diào)節(jié)引擎的渲染傳遞機制來執(zhí)行光線場景的構建操作，使用Vulkan光線追蹤擴展API非常簡單，因為修改的代碼非常類似Vulkan現(xiàn)在的光柵渲染，使用開始/結(jié)束命令包裝渲染次序，使用帶有頂點和光線著色器的Vulkan管道對象取代常規(guī)的光柵著色器。我們還可以重復使用現(xiàn)在的“靜態(tài)網(wǎng)格”幾何圖形來繪制一個環(huán)路，適當調(diào)整來移除投影碎片的可見性檢查，我們希望所有的幾何體都能夠被渲染到光線追蹤的層次結(jié)構中。

我們能夠準確的使用與光柵渲染相同的頂點著色器（有引擎編譯生成），僅需要改變一些參數(shù)值來控制頂點的轉(zhuǎn)換使得頂點的輸出在世界場景中而不是投影的屏幕空間中。起初，我們使用手寫的光線著色器，編寫自己的代碼實現(xiàn)控制，僅要求頂點屬性結(jié)構能夠匹配頂點著色器（這種方式只需要在引擎編譯之前解析頂點著色器的GLSL資源）。

這讓我們能夠一次性的完成場景搭建和光線追蹤渲染，我們增加了基本顏色、光源、陰影和反射屬性，最后一步是展示測試，在游戲畫面中光線追蹤圖形應該疊加在常規(guī)的光柵圖形上面。

下一步就是讓引擎能夠根據(jù)實際的場景材料自己生成光線著色器，采用材料和著色器跨編譯器機制使得我們你能夠增加其他著色器類型，盡管引擎只是將它們作為第二像素（碎片）著色器，從USF著色器文件資源衍生而來（USF資源定義了常規(guī)的像素著色器）。然后Vulkan RHI層會將二次USF像素著色器轉(zhuǎn)換為GLSL，將GLSL資源代碼轉(zhuǎn)換為光線著色器，最后會將其編譯到SPIR-V資源文件中。在引擎的高層次中的材料代碼會創(chuàng)建像素著色器的二次副本（也就是說相關參數(shù)是相同的），然后將它傳遞給RHI，因為它只接收二次像素著色器實際上我們這里給它傳遞的是光線著色器副本。最后與像素著色器的綁定方式相似，它會準確的綁定所有相同的材質(zhì)資源。

雖然是一個全局的光線追蹤渲染器，但是實際上它是常規(guī)像素著色器行為的復制或者說幾乎相同，包括映射/CSM陰影、反射探針反射以及所有相同的光源變體（光源圖、方向光、可選的點光源等）。

使用USF內(nèi)置的功能來調(diào)節(jié)引擎的HLSL解析器一般會將光線追蹤的一些細節(jié)（輸入和輸出光線管理、與光線著色器綁定的參數(shù)）隱藏起來。這使得USF著色器代碼包含了更多功能，如檢查輸入光線的深度（用于光線反射調(diào)節(jié)）、發(fā)射反射和陰影光線以及統(tǒng)計光線追蹤累積緩存中的最終顏色值，不使用額外非常的語法。這些調(diào)用的函數(shù)會轉(zhuǎn)換為GLSL,而且這些函數(shù)的實現(xiàn)會添加到GLSL代碼中，作為從像素著色器向光線著色器的轉(zhuǎn)換代碼。

使用一些預處理程序，可以使用USF的像素著色器代碼快速搭建出基本的光線著色器，僅需要添加10行代碼和調(diào)節(jié)，就可以實現(xiàn)光線追蹤反射和圖像深度統(tǒng)計。其他部分重組的USF代碼需要添加光線追蹤陰影，只需要將光源計算放到陰影計算之前，這樣我們就可以實現(xiàn)動態(tài)切換是選擇光柵（映射/CSM查找）還是光線追蹤（遞歸統(tǒng)計）陰影效果。

展示的這個Demo是在常規(guī)引擎說明場景基礎上擴展的一個版本，引擎可以自由切換為光柵模式還是光柵追蹤模式。盡管在光線追蹤模式下，我們也可以在光柵和光線追蹤陰影之間選擇以及顏色取樣和光線追蹤反射效果。我們還增加了其他一些材料用于在渲染模式下每種材料表面參數(shù)設置。舉個例子，因為這個初始版本的光線追蹤反射實現(xiàn)方案不支持光滑（或模糊）反射，我們展示了如何設置使得一些材料可以繼續(xù)使用模糊探測反射，其他材料使用光線追蹤實現(xiàn)真正的光滑反射效果。

最后我們演示了光線追蹤的靈活性，提供可選的攝像機模型和第四種渲染模式，即使用真正的360度球面透鏡渲染整個場景。

后面的工作我們會涉及到動態(tài)幾何圖形，支持點光源，重新實現(xiàn)和優(yōu)化我們開發(fā)的混合單射線軟陰影算法。

本篇文章作者Will Anielewicz，高級軟件工程師（PowerVR，Imagination）; Simon Eves，高級軟件工程師(PowerVR，Imagination)。