Optix (02)

Posted on 2023-11-07 Edited on 2024-03-07 In CG.Kits Views:

Kiraray 学习，MegaKernel、Wavefront

Kiraray

github

Optix Shader

Ray generation
- 光追入口点
- See “Ray generation launches”
  - asynchronous, using CUDA streams
Intersection
- 求交
- See “Traversing the scene graph” and “Ray information”
Any-hit
- Called when a traced ray finds a new, potentially closest, intersection point, such as for shadow computation. See “Ray information”
- 每次 intersection 都会被调用
Closest-hit
- Called when a traced ray finds the closest intersection point, such as for material shading. See “Constructing a path tracer”
- 找到最近的才会被调用
Miss
- Called when a traced ray misses all scene geometry. See “Constructing a path tracer”
- 所有都 miss 才会被调用
Exception
- Exception handler, invoked for conditions such as stack overflow and other errors. See “Exceptions”.
Direct callables
- Similar to a regular CUDA function call, direct callables are called immediately. See “Callables”.
Continuation callables
- Unlike direct callables, continuation callables are executed by the scheduler. See “Callables”.

MegaKernel

一根光线的所有过程都写在 raygen 中
divergence：不同像素的光线的期望长度可能不一致

RadianceRay

raygen
NEE：击中场景中点的时候，对这个点做 NEE
- NEE 实现的时候，可以采样环境光，因此也需要和环境光做 MIS
不 NEE 的情况
- 材质为镜面（specular）
- 直接光照（第一跳，depth=0）
采样光源
- 简单实现：先采样一个光源（\(\dfrac{1}{N}\)），再在光源上均匀采样
- 如果采样的光源位置被另外一个光源遮挡了，那么 NEE 部分的贡献为 0
  - 实现简单，不需要考虑某一个方向能够被多个光源采样到的情况（远处的直接被剔除了）
- 面积采样要转化为立体角采样，推导
  - 代码：src/core/shape.h:sample()

_ raygen() {
    for(spp) {
        tracePath();
    }
}

_ tracePath() {
    for(depth) {
        optixTrace();
        if(miss){
            // 正常光追部分(环境光)
            // 如果有 NEE, 则需要对这个部分进行加权
            //     这里相当于是环境光与正常光追打到环境光部分的 MIS
            //     注意视点不 NEE(depth=0, 相机光线直接打空)
            handleMiss();
            break;
        }

        if(light) {
            // 正常光追部分(光源)
            // 如果有 NEE, 则需要对这个部分进行加权
            //     这里相当于是常规光源与正常光追打到常规光源部分的 MIS
            //     此时我们已经知道打中哪一个光源了, 可以计算 NEE 的 MIS 权重
            handleHit();
        }

        if(shouldStop) { 
            // 终止条件: max depth, RR
            break;
        }      

        throughput /= RR;

        if(NEE) { 
            // NEE 部分
            //     已经知道 BRDF, 可以计算 BRDF 的 MIS 权重
        }

        // 光源不交互可以体现在这里
        if(genScatterRay()) { break; }
    }
}

chit、ahit、miss

_ ahit() {
    // alpha test
    // 如果有透明度贴图, 则按照概率通过
    // 通过则当作透明体, 将其剔除 optixIgnoreIntersection()
}

_ chit() {
    // 保存更新击中点的信息
}

_ miss() {
    // 返回没有击中 (payload2)
    // payload01 被用于指针传递
}

ShadowRay

shadow ray 在 NEE 的时候使用，判定光线能否打到光源

// trace 设置
trace_flags = OPTIX_RAY_FLAG_TERMINATE_ON_FIRST_HIT
    | OPTIX_RAY_FLAG_DISABLE_CLOSESTHIT;
// 最大距离设置为光源位置

chit、ahit、miss

_ ahit() {
    // alpha test
    // 如果有透明度贴图, 则按照概率通过
    // 通过则当作透明体, 将其剔除 optixIgnoreIntersection()
}

_ chit() {
    // nothing (disabled)
}

_ miss() {
    // 返回没有击中 (payload0)
    // 也就是说没有遮挡, 能够击中光源
}

WaveFront

注意：PT 部分 item 都是 soa 的
- 场景构建中：soa 部分，将 array of struct 转化为 struct of array
  - https://github.com/crosetto/SoAvsAoS
- 提供多线程访问的时候的缓存一致性
  - 但是在保存（save）的时候，会有更大的缓存开销
简写

1	Color thp; // throughput

任务队列

// work queues
RayQueue* rayQueue[2]{ };             // switching bewteen current and next queue, 保存 RayWorkItem（光线信息、着色点信息）
MissRayQueue* missRayQueue{ };
HitLightRayQueue* hitLightRayQueue{ };
ShadowRayQueue* shadowRayQueue{ };
ScatterRayQueue* scatterRayQueue{ };
PixelStateBuffer* pixelState;         // 维护每一个像素的信息: 最终 L、随机数生成器

流程
- 只有在使用到 optix 函数的时候再使用 optixLaunch()，其他的直接调用 cuda kernel 并行实现
  - 使用 optixLaunch() 的函数：trace_closest()、trace_shadow()
- 优化：如果没有环境光，那么就不需要 miss queue

for(spp) {
    // [STEP#1] generate camera / primary rays
    reset_current_ray_queue();  // 重置当前的 ray queue
    generate_camera_rays();     // 在当前 ray queue 中生成 camera rays

    // [STEP#2] do radiance estimation recursively
    for(depth) {
        // 重置 queues: ray(next)、miss、hit、shadow、scatter
        prepara_for_current_depth();
        // [STEP#2.1] find closest intersections, filling in scatterRayQueue and hitLightQueue
        trace_closest(); /** OptixLaunch **/

        // [STEP#2.2] handle hit and missed rays, contribute to pixels
        handle_hit();      // 把光追贡献(常规光源)加到 pixelState 上，注意 NEE 条件(depth > 0 && 非镜面)
        handle_miss();     // 把光追贡献(环境光)加到 pixelState 上，注意 NEE 条件(depth > 0 && 非镜面)

        // RR 的终止条件放到 STEP#2.3 里面判断, 因为不同 ray 的 RR 结果不一样，不能一次性判断出来
        if(depth == MaxDepth) {
            break;
        }

        // [STEP#2.3] scattered rays & shadow rays(if NEE)
        // (1) 根据 BRDF 更新 thoughput 以及着色点信息, 生成 scattered rays 并推入 next ray queue
        //     如果 throughput=vec3(0) 的话直接丢弃
        // (2) 如果 NEE 的话生成 shadow rays
        ();

        // [STEP#2.4] trace shadow rays (NEE)
        if (NEE) {
            trace_shadow(); /** OptixLaunch **/
        }
    }

    // [STEP#3] gathering
    gather();                // 将当前 pixelState 中保存的 L/spp 后写入 framebuffer
}

trace_closest()

_ raygen_closest() {
    // 根据 RayQueue 中 RayWorkItem 信息追踪光线
    optixTrace();
}

_ chit_closest() {
    // 保存更新击中点的信息
    prepareShadingData();

    // 根据当前击中点的类型推入不同的队列
    // (1) HitLightRayQueue
    // (2) MissRayQueue
    push_into_corresponding_queue();
}

_ ahit_closest() {
    // alpha test
}

_ miss_closest() {
    // 推入 MissRayQueue
}

trace_shadow()

_ raygen_shadow() {
    // 根据 ShadowRayQueue 中 ShadowRayWorkItem 信息追踪光线
    //     OptixRayFlags = OPTIX_RAY_FLAG_DISABLE_CLOSESTHIT | OPTIX_RAY_FLAG_TERMINATE_ON_FIRST_HIT;
    optixTrace();
    if(miss) {
        // 直接加贡献值加到当前像素中(贡献可以在 generate_scatter_rays() 中计算，也可以在这里计算)
    }
}

_ chit_shadow() {
    // skip
}

_ ahit_shadow() {
    // alpha test
}

_ miss_shadow() {
    // 返回 miss (SetPayload0)
}