27、实时光线追踪与去噪的渲染技术解析

实时光线追踪与去噪的渲染技术解析

1. 阴影去噪

1.1 采样与噪声问题

在光线追踪中，要获得高质量的大半影区域光阴影，通常每个像素需要数百个可见性样本才能得到无明显噪声的估计。所需光线数量取决于光源大小、场景中遮挡物的位置和大小。但在实时渲染中，光线预算有限，数百条光线会超出性能预算。在相关演示中，每个像素每个光源仅使用一个样本，结果包含大量噪声。

1.2 去噪算法设计

为解决上述问题，设计了专门用于带半影区域光阴影的去噪算法，该算法有空间和时间两个组件：
- 空间组件 ：受基于局部遮挡频率分析的高效滤波器启发，去噪器会考虑光源的大小、形状、方向、与接收器的距离以及阴影光线的命中距离等信息，为每个像素推导最优的空间滤波器足迹。该足迹是各向异性的，每个像素的方向不同，核形状沿半影方向拉伸，去噪后可得到高质量图像。
- 时间组件 ：将每个像素的有效样本数增加到约 8 - 16 个。不过启用时间滤波器会有轻微的时间滞后，可通过执行时间钳位来减少滞后。

由于去噪器使用每个光源的信息，需要分别对每个光源投射的阴影进行去噪。去噪成本与场景中光源数量呈线性关系，但去噪结果质量高于使用通用滤波器处理多个光源的情况。

1.3 去噪效果

对于中等大小的光源，仅使用空间去噪器就能产生高质量结果；对于大型光源，如“Speed of Light”（Porsche）演示中的光源，仅空间去噪无法满足质量要求，需结合时间组件，以轻微时间滞后为代价提高重建质量。以下是去噪流程的 mermaid 流程图：