光线追踪入门

高清渲染管线 (High Definition Render Pipeline, HDRP) 包括 Unity 2019.3 中的预览版光线追踪支持。光线追踪功能可用于访问屏幕上未显示的数据。例如，您可以使用该功能来请求位置数据、法线数据或光照数据，然后使用这些数据来计算使用传统光栅化技术难以计算出的数量。

尽管电影制作中广泛使用光线追踪技术，但很长时间以来，这项技术的资源消耗量使得其使用范围受限于离线渲染。现在，随着 GPU 硬件的最新发展，您可以实时利用光线追踪效果。

本文档介绍以下主题：

硬件要求

以下 GPU 支持全面的光线追踪硬件加速功能：

  • NVIDIA GeForce 20 系列：
    • RTX 2060
    • RTX 2060 Super
    • RTX 2070
    • RTX 2070 Super
    • RTX 2080
    • RTX 2080 Super
    • RTX 2080 Ti
    • NVIDIA TITAN RTX
  • NVIDIA GeForce 30 系列：
    • RTX 3060
    • RTX 3060Ti
    • RTX 3070
    • RTX 3080
    • RTX 3090
  • NVIDIA Quadro：
    • RTX 3000（仅限笔记本电脑）
    • RTX 4000
    • RTX 5000
    • RTX 6000
    • RTX 8000

NVIDIA 还为某些上一代显卡提供了光线追踪回退功能：

  • NVIDIA GeForce GTX
    • Turing 世代：GTX 1660 Super、GTX 1660 Ti
    • Pascal 世代：GTX 1060 6GB、GTX 1070、GTX 1080、GTX 1080 Ti
  • NVIDIA TITAN V
  • NVIDIA Quadro：P4000、P5000、P6000、V100

如果您的计算机装有上述显卡之一，则可以在 Unity 中运行光线追踪。

打开 Unity 之前，请确保将 NVIDIA 驱动程序更新为最新版本，并确保 Windows 版本至少为 1809。

将光线追踪集成到您的 HDRP 项目中

在 HDRP 项目中使用光线追踪功能之前，需要设置 HDRP 项目以获得光线追踪支持。HDRP 仅支持使用 DirectX 12 API 进行光线追踪，因此，光线追踪仅在使用 DirectX 12 进行渲染的 Unity 编辑器或 Windows Unity Player 中有效。您需要将 HDRP 项目的默认图形 API 从 DirectX 11 更改为 DirectX 12。

有两种方式可以做到这一点：

完成其中之一后，进入最终设置。

Render Pipeline Wizard 设置

可以使用 Render Pipeline Wizard 在 HDRP 项目中设置光线追踪。

  1. 要打开 Render Pipeline Wizard，请选择 Window > Render Pipeline，然后选择 HD Render Pipeline Wizard。
  2. 选择 HDRP + DXR 选项卡。
  3. 单击 Fix All 按钮。
  4. （可选）启用光线追踪效果所需的 HDRP 资源功能。

你的 HDRP 项目现在支持光线追踪。如需了解如何为场景设置光线追踪，请参阅最终设置。

手动设置

要手动设置光线追踪，需要：

  1. 让您的 HDRP 项目使用 DirectX 12。
  2. 在 HDRP 项目上禁用静态批处理。
  3. 在 HDRP 资源中启用和配置光线追踪。
  4. 确保正确分配光线追踪资源。
  5. （可选）在 HDRP 资源中启用光线追踪效果。

升级到 DirectX 12

  1. 打开 Project Settings 窗口（菜单：Edit > Project Settings），然后选择 Player 选项卡。
  2. 选择 Other Settings 折叠箭头，然后在 Rendering 部分中禁用 Auto Graphics API for Windows。这样会显示出 Graphics APIs for Windows 部分。
  3. 在 Graphics APIs for Windows 部分中，单击加号 (+) 按钮，然后选择 Direct3d12。
  4. Unity 默认情况下使用 Direct3d11。要使 Unity 使用 Direct3d12，请将 Direct3d12 (Experimental) 移到列表顶部。
  5. 要应用更改，可能需要重新启动 Unity 编辑器。如果出现窗口提示告诉你要重新启动编辑器，请单击窗口中的 Restart Editor。

现在，Unity 编辑器窗口应该会在标题栏中包含 <DX12> 标签，如下所示：

禁用静态批处理

接下来，您需要禁用静态批处理，因为 HDRP 在运行模式下不支持此功能与光线追踪功能一起使用。为此需要执行以下操作：

  1. 打开 Project Settings 窗口（菜单：Edit > Project Settings），然后选择 Player 选项卡。
  2. 选择 Other Settings 折叠箭头，然后在 Rendering 部分中禁用 Static Batching。

HDRP 资源配置

现在 Unity 在 DirectX 12 中运行，并且已禁用静态批处理，接下来请在 HDRP 资源中启用和配置光线追踪。前面的步骤已将 Unity 配置为支持光线追踪，接下来的步骤将在你的 HDRP Unity 项目中启用光线追踪。

  1. 在 Project 窗口中单击 HDRP 资源以便在 Inspector 中查看该资源。
  2. 在 Rendering 部分中，启用 Realtime Ray Tracing。这将触发重新编译，从而使光线追踪在 HDRP 项目中可用。

光线追踪资源

要验证 HDRP 是否已正确分配了光线追踪资源，请执行以下操作：

  1. 打开 Project Settings 窗口（菜单：Edit > Project Settings），然后选择 HDRP Default Settings 选项卡。
  2. 确保向 Render Pipeline Resources 字段中分配了 Render Pipeline Resources 资源。

（可选）在 HDRP 资源中启用光线追踪效果

HDRP 使用光线追踪来替换某些光栅化效果。为了在项目中使用光线追踪效果，必须首先启用该效果的光栅化版本。需要修改 HDRP 资源的四个效果如下：

  • 屏幕空间阴影 (Screen Space Shadows)
  • 屏幕空间反射 (Screen Space Reflections)
  • 透明屏幕空间反射 (Transparent Screen Space Reflections)
  • 屏幕空间全局光照 (Screen Space Global Illumination)

要在 HDRP Unity 项目中启用以上效果，请执行以下操作：

  1. 在 Project 窗口中单击 HDRP 资源以便在 Inspector 中查看该资源。
  2. 选择 Lighting > Reflections，然后启用 Screen Space Reflection。
  3. 启用 Screen Space Reflections 后，选择 Lighting > Reflections，然后启用 Transparent Screen Space Reflection。
  4. 选择 Lighting > Shadows，然后启用 Screen Space Shadows。
  5. 选择 Lighting > Lighting，然后启用 Screen Space Global Illumination。

你的 HDRP 项目现在完全支持光线追踪。如需了解如何为场景设置光线追踪，请参阅最终设置。

最终设置

现在，您的 HDRP 项目支持光线追踪，还必须完成一些步骤才能在场景中实际使用光线追踪。

  1. 帧设置验证
  2. 构建设置验证
  3. 场景验证

帧设置

要使 HDRP 计算场景中摄像机的光线追踪效果，请确保你的摄像机使用启用了光线追踪的帧设置。可以在默认情况下为所有摄像机启用光线追踪，也可以为场景中的特定摄像机启用光线追踪。

要在默认情况下启用光线追踪，请执行以下操作：

  1. 打开 Project Settings 窗口（菜单：Edit > Project Settings），然后选择 HDRP Default Settings 选项卡。
  2. 从 Default Frame Settings For 下拉选单中选择 Camera。
  3. 在 Rendering 部分中，启用 Ray Tracing。

要为特定摄像机启用光线追踪，请执行以下操作：

  1. 单击场景或层级视图中的摄像机以在 Inspector 中查看该游戏对象。
  2. 在 General 部分中，启用 Custom Frame Settings。随后将显示仅适用于此摄像机的帧设置。
  3. 在 Rendering 部分中，启用 Ray Tracing。

构建设置

要将项目构建到 Unity Player，光线追踪要求该构建使用 64 位架构。要将构建设置为使用 64 位架构，请执行以下操作：

  1. 打开 Build Settings 窗口（菜单：File > Build Settings）。
  2. 从 Architecture 下拉选单中，选择 x86_64。

场景验证

为了检查是否可以在场景中使用光线追踪，HDRP 包含一个菜单选项，用于验证场景中的每个游戏对象。如果没有正确设置游戏对象，则此过程将在 Console 窗口中引发警告。要使用它，请执行以下操作：

  1. 单击 Edit > Rendering > Check Scene Content for HDRP Ray Tracing。
  2. 在 Console 窗口（菜单：Window > General > Console）中，检查是否有任何警告。

光线追踪效果概述

HDRP 使用光线追踪代替其某些屏幕空间效果、阴影技术和网格渲染技术。

光线追踪模式

HDRP 包括两种光线追踪模式，这些模式定义了它如何评估某些光线追踪效果。这些模式为：

  • Performance：此模式针对实时应用程序。如果选择此模式，则光线追踪效果包括一些可以更改以平衡性能与质量的预设。
  • Quality：此模式针对需要最佳质量结果的技术性演示和应用程序。

根据所选择的光线追踪模式，HDRP 可能会显示某些光线追踪效果的差异属性。

可以在项目级别或效果级别上更改 HDRP 使用的光线追踪模式。要为整个项目进行更改，请执行以下操作：

  1. 在 Project 窗口中单击 HDRP 资源以便在 Inspector 中查看该资源。
  2. 在 Rendering 部分，从 Supported Ray Tracing Mode 下拉选单中选择光线追踪模式。

如果选择 Both，则可以更改每个光线追踪效果的光线追踪模式。为此需要执行以下操作：

  1. 在 Scene 视图或 Hierarchy 视图中，选择一个包含 Volume 组件且该组件包含光线追踪效果的游戏对象。
  2. 在光线追踪效果的 Inspector 中，将 Mode 属性更改为希望该效果使用的光线追踪模式。这将更改 Inspector 中可用的属性。

光线追踪项目

您可以在此处找到一个小型光线追踪项目，该项目中包含上面提到的所有效果： https://github.com/Unity-Technologies/SmallOfficeRayTracing 该项目已经设置了光线追踪支持。

不受支持的光线追踪功能

目前，除 DX12 之外，在其他平台上均不支持光线追踪。

Unity 2020.2 中的 HDRP 光线追踪具有以下局限性：

  • 不支持顶点动画。
  • 不支持贴花。
  • 不支持曲面细分。
  • 不支持每个像素位移（视差遮挡贴图、高度贴图、深度偏移）。
  • 不支持 VFX 和地形。
  • 没有正确的阴影剔除，可能会在光线追踪效果中出现阴影缺失的情况。
  • 不支持 MSAA。
  • 对于具有 LOD 的渲染器，光线追踪加速结构仅包含最高级别的 LOD，而忽略较低的 LOD。
  • 不支持 Graphics.DrawMesh。
  • 渲染反射探针时不支持光线追踪。

不受支持的路径追踪功能

目前，除 DX12 之外，在其他平台上均不支持路径追踪。

Unity 2020.2 中的 HDRP 路径追踪具有以下局限性：

  • 不支持 3D Text 和 TextMeshPro。
  • 不支持使用导数的 Shader Graph 节点（例如：纹理的法线）。
  • 不支持贴花。
  • 不支持曲面细分。
  • 不支持管状和圆盘形面光源。
  • 不支持半透明和不透明材质。
  • 不支持多个 HDRP 材质。这些材质包括织物、眼睛、StackLit、毛发、贴花。
  • 不支持每个像素位移（视差遮挡贴图、高度贴图、深度偏移）。
  • 不支持 MSAA。
  • 对于具有 LOD 的渲染器，光线追踪加速结构仅包含最高级别的 LOD，而忽略较低的 LOD。
  • 不支持 Graphics.DrawMesh。

光线追踪不支持的 Shader Graph 节点

使用 Shader Graph 构建自定义着色器时，某些节点与光线追踪不兼容。因此需要避免使用它们，或者需要使用光线追踪着色器节点来提供替代行为。以下列出了不兼容的节点：

  • DDX、DDY 和 DDXY 节点。
  • View Space 模式中的 Inputs > Geometry 下的所有节点（Position、View Direction、Normal 等）。
  • Checkerboard 节点。