初探 Unity Ray Tracing 管线基础 | Intro To Unity Ray Tracing Pipeline Basics

Unity 里边很早就已经支持了光线追踪相关的功能，但是我找了半天都没能找到一个完整一点的入门教程，在此斗胆抛砖引玉，希望看到这里的好兄弟日后发达了之后别忘了小弟。

本文在 Unity HDRP 的基础上实现了一个极简的光线追踪流程（其实并不强依赖 HDRP ，URP 也行）以让大伙能对 Unity Ray Tracing 管线有一个初步的了解，所覆盖的内容可能有所缺漏，日后或许会慢慢填坑。

实现思路

使用 HDRP 的 Global Custom Pass Volume 在 Post Process 后插入了一个自定义的 Pass ，在这个 Pass 中实现了一个简单的光线追踪算法，把光追的结果画到了一个单独的 RenderTexture 上面后， Blit 到 Camera 的 RenderTarget 上。

光线追踪管线

当前 GPU 光线追踪的管线简单来说如下图所示：

本文涉及的部分是上图中的 Ray Generation, Miss, Closest Hit 三个部分：

• Ray Generation 是光追管线的入口，可以视为一个用于计算各个位置的 Shading 值的 Compute Shader，在其中可以通过调用 TraceRay 来进行光线追踪。
• Miss 是光线追踪过程中没有击中任何物体时的处理程序
• Closest Hit 是光线追踪过程中击中了物体时的处理程序

在 Unity 中，Ray Generation Shader 和 Miss Shader 保存在 .raytrace 文件中，而 Closest Hit Shader 保存在 .shader 文件中。

Shader

前期准备

准备一个 Common.hlsl 用于存放一些公共的东西，比如下面这些常用的 include ：

#include "UnityRaytracingMeshUtils.cginc"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Common.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.high-definition/Runtime/ShaderLibrary/ShaderVariables.hlsl"

在光线追踪的管线中，存在着一个叫做 payload 的结构体会以类似引用的形式在不同的程序之间进行传递，我们同样在 Common.hlsl 里边定义一下它：

struct DemoPayload { float3 color; };

DemoPayload GetInitializedPayload()
{
    DemoPayload payload;
    payload.color = float3(0.0, 0.0, 0.0);
    return payload;
}

Ray Generation

Ray Generation Shader 顾名思义是一个负责生成光线的入口程序，在 hlsl 中，他被 [shader("raygeneration")] 装饰标识。

和常规的 Shader 一样，我们定义了一些常用的参数：

uint2  DispatchSize;
float4x4 CameraInvProj;
RWTexture2D<float3> RenderTarget;
RaytracingAccelerationStructure AccelerationStructure;

其中的 RenderTarget 用于保存光线追踪的结果，AccelerationStructure 是我们创建的光线追踪场景的加速结构，DispatchSize, CameraInvProj 被用于根据 Dispatch 的像素位置重建相机射线：

uint2 dispatchIdx = DispatchRaysIndex().xy;
float4 farPos = float4((dispatchIdx + 0.5f) / float2(DispatchSize.xy) * 2 - 1, 0.0, 1.0);
farPos = mul(CameraInvProj, farPos);
farPos /= farPos.w;
float3 rayDir = normalize(mul(UNITY_MATRIX_I_V, farPos.xyz));

要进行光线追踪，我们需要填写 RayDesc 结构体以描述需要追踪的光线，并准备一个初始化过的 payload：

RayDesc ray;
ray.Origin = _WorldSpaceCameraPos;
ray.Direction = rayDir;
ray.TMin = 0.0;
ray.TMax = FLT_MAX;
DemoPayload payload = GetInitializedPayload();

完成了以上步骤后，就可以调用 TraceRay 函数进行光线追踪，这个函数的定义如下：

Template<payload_t>
void TraceRay(RaytracingAccelerationStructure AccelerationStructure,
              uint RayFlags,
              uint InstanceInclusionMask,
              uint RayContributionToHitGroupIndex,
              uint MultiplierForGeometryContributionToHitGroupIndex,
              uint MissShaderIndex,
              RayDesc Ray,
              inout payload_t Payload);

在本文中，我们暂时忽略其它参数，只关注基础的 AccelerationStructure, Ray, Payload 三个参数：

TraceRay(AccelerationStructure, RAY_FLAG_NONE, 0xFF, 0, 1, 0, ray, payload);

最后，我们将得到的结果写回 RenderTarget 中：

RenderTarget[dispatchIdx] = payload.color;

Miss Shader

Miss Shader 是光线追踪过程中没有击中任何物体时的处理程序，在本文中，我们简单的把光线的颜色设置为黑色：

[shader("miss")]
void DemoMissShader(inout DemoPayload payload)
{
    payload.color = float3(0.0, 0.0, 0.0);
}

Closest Hit Shader

在 Unity 中，Closest Hit Shader 是光线追踪过程中，在找到最近交点的物体根据物体的材质执行的程序。它一般出现在 ShaderLab 的一个单独的光线追踪 Pass 中：

Pass
{
    Name "DemoRayTracing"
    Tags { "LightMode" = "RayTracing" }

    HLSLPROGRAM
    #include "RTCommon.hlsl"
    [shader("closesthit")]
    void DemoClosestHitShader(inout DemoPayload payload : SV_RayPayload, in BuiltInTriangleIntersectionAttributes attr)
    {
        payload.color = frac(payload.posWS);
    }
    ENDHLSL
}

Script

在本文中，C# 端只需要一个简单的 CustomPass，在其中需要干这么几件事：

1. 创建和更新光追的场景加速结构
2. 维护和更新 Ray Tracing Shader 的参数
3. Dispatch Ray Tracing Shader 并把结果 Blit 到 Camera 的 RenderTarget 上

场景加速结构

在 Setup 阶段，配置并创建一个 RayTracingAccelerationStructure ：

var setting = new RayTracingAccelerationStructure.Settings(RayTracingAccelerationStructure.ManagementMode.Automatic,
                                                            RayTracingAccelerationStructure.RayTracingModeMask.Everything, 0xFF);
m_RTAS = new RayTracingAccelerationStructure(setting);

并在 Execute 阶段构建它：

cmd.BuildRayTracingAccelerationStructure(m_RTAS);

如果场景是静态的话，不需要每帧都重复更新加速结构，而只需要构建一次就可以了。

维护和更新 Ray Tracing Shader 的参数

比较基础的一些操作，我们需要维护一个尺寸和相机一样的 RenderTexture 作为临时输出，并且基于 context 中的 camera 信息拿到相机的投影参数。这里就不贴代码了。

进行光线追踪

在 Execute 阶段，除了和 Comput Shader 类似的 Shader 参数之外，还需要指定对应的 ShaderLab 中的 Pass 名称。

设置完成后，使用 cmd.DispatchRays 就可以根据指定的 RayGenerationShader 进行光线追踪了：

cmd.SetRayTracingShaderPass(m_RTShader, "DemoRayTracing");
cmd.DispatchRays(m_RTShader, "DemoRayGenShader", (uint)w, (uint)h, 1);

最后别忘了把结果 Blit 到 Camera 的 RenderTarget 上：

cmd.Blit(m_Target, ctx.cameraColorBuffer);

尾声

至此你已经成功地完成了一个最简单的光线追踪管线了！可喜可贺可喜可贺。但我发现在 Unity Reload 之后，有一定的概率出现渲染结果和相机位置对不上的问题，目前还没有找到原因，但似乎进入 Play Mode 就没有这个问题，比较的神秘。

本文只是实现了一个最基础的光线追踪管线，还没有覆盖到实际的 Ray Flag / Any Hit / Intersection / Hit Attribute 等等内容，希望在不久的将来能有机会把坑填上。