車輛造型設(shè)計渲染中基于全局光照理論下的真實感與實時性研究

張曉蕾 隋志華 王冠

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130013）

主題詞：渲染 全局光照 光線追蹤 真實感 實時性

GPU Graphics Processing Unit AI Artificial Intelligence CPU Centre Process Unit

CMF Color Material Finishing CAS Computer Aided Styling VR Virtual Reality HMI Human Machine Interface SHL Spherical Harmonic Lighting

1 前言

車輛造型渲染是使用計算機(jī)模擬現(xiàn)實的世界，用于輔助造型設(shè)計師在車輛被制造前，對車輛造型進(jìn)行觀察和感知的方法，以實現(xiàn)快速的設(shè)計迭代，縮短開發(fā)周期及降低開發(fā)成本，造型渲染已成為汽車設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，近年來計算機(jī)圖形學(xué)在車輛造型渲染中獲得了廣泛應(yīng)用。趙靖歸納指出，計算機(jī)圖形學(xué)是利用各種算法將面、體以一種柵格形式在顯示器上呈現(xiàn)圖像的方法進(jìn)行研究的學(xué)科。李天博士指出數(shù)字化圖像所呈現(xiàn)的真實感是通過計算機(jī)對模型及場景在遵循必要規(guī)則的前提下通過不同的技術(shù)模擬途徑進(jìn)行計算，最終使數(shù)字圖像實現(xiàn)如真實照片一樣的效果。張麗歸納指出真實感與光照計算的關(guān)系，即計算的方程依據(jù)于計算機(jī)圖形學(xué)中不同的光照理論模型。其中，被廣泛應(yīng)用的光照理論模型為全局光照理論模型，該模型是由Kajiya于1986年基于蒙特卡洛方法（用隨機(jī)數(shù)來解決很多計算問題的方法）提出的渲染方程，并將其引入計算機(jī)圖形學(xué)，開創(chuàng)并建立了全局光照（Global Illumination）理論，這一理論對光線的傳輸模擬進(jìn)行了解釋，描繪了光在模型場景中的傳播方式。對Kajiya渲染方程的求解過程即為在渲染中獲得真實感的實現(xiàn)方式。

桂梅書在論文中描述了實現(xiàn)全局光照的3種方法，其中在全局光照理論模型中，對光線的描述被分為2個部分，從光源發(fā)出的光線，僅經(jīng)一次物體表面反射，即進(jìn)入成像畫面內(nèi)的光照，稱為直接光照。需要經(jīng)歷2次或更多次物體間反射的，稱為間接光照，而對直接光照計算與間接光照計算的總和，則稱為全局光照。故全局光照對光線的計算本質(zhì)是模擬于現(xiàn)實世界中光的傳播物理特性，若不計計算成本，模擬效果可無限接近真實世界。因其對真實感的表達(dá)能力，基于全局光照的各類渲染算法技術(shù)一直是當(dāng)今計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域努力探索的熱點(diǎn)問題，目前追求真實感的設(shè)計軟件工具，或各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，也都普遍基于該理論展開。在Kajiya渲染方程出現(xiàn)后，也衍生了很多與之算法近似的基于全局光照的算法流派，并產(chǎn)生出不同的軟件工具，被用于各種工業(yè)生產(chǎn)及藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域。基于全局光理論下的算法主要包括：光線追蹤算法（Ray tracing）、路徑追蹤算法（Path tracing）、輻射度算法(Radiosity)和球諧光照算法(Spherical Harmonic Lighting,SHL)。

目前在國外有關(guān)基于全局光照模型渲染理論的研究發(fā)展已經(jīng)有了很多經(jīng)典專著，Akenine-Molller對實時渲染理論進(jìn)行了深入研究，PHARR在離線渲染方面專注于光線追蹤算法方面研究，Dutré在全局光方面的研究奠定了這一領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。這些專著對各渲染分支方向的研究發(fā)展起到了支撐作用。每年的SIGGRAPH計算機(jī)圖形學(xué)會議上，會展示發(fā)表全球范圍的專業(yè)論文，對判研渲染技術(shù)發(fā)展走勢有著重要作用，秦春林在專著《全局光照技術(shù)-從離線渲染到實時渲染》中匯總了近5年全局光照領(lǐng)域的主要研究成果。

Cook在1984年的計算機(jī)圖形學(xué)會議發(fā)表論文指出，光線追蹤在基于全局光照模型理論的眾多算法中，光線追蹤算法是實現(xiàn)全局光照計算的最有效途徑之一。光線追蹤算法在面向銷售、傳媒、建筑和制造需要真實感，不需要實時性的離線渲染領(lǐng)域有著長期且廣泛的應(yīng)用。近年在Nvidia、AMD 等圖形硬件公司，推動圖形計算單元的性能實現(xiàn)躍遷式發(fā)展后，光線追蹤算法也被引入游戲、虛擬交互這些對實時性有較高要求的領(lǐng)域，并使實時渲染的真實感表達(dá)實現(xiàn)了飛躍。

2 車輛造型渲染發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

2.1 歷史發(fā)展

在不計成本的前提條件下，光線追蹤對真實感的表達(dá)甚至可以趨近于無限接近真實。同時光線追蹤技術(shù)也是汽車造型流程中進(jìn)行渲染的主要工具。只要計算更多的光線，渲染效果便更加接近現(xiàn)實的物理反射，同時獲得更加平順的光影強(qiáng)度衰減，更少的畫面噪點(diǎn)。在應(yīng)用層面需要始終面對很多考量，即如何在資源及真實感中做出平衡與取舍，為此，光線追蹤算法在應(yīng)用層面分為2個主方向。方向1是追求真實感、不追求實時性而進(jìn)行的基于光線追蹤的離線渲染；方向2是同時追求實時性與真實感而進(jìn)行的基于光線追蹤的實時渲染。

離線渲染需要根據(jù)點(diǎn)、線、面和貼圖元素，對模型和場景進(jìn)行構(gòu)建與設(shè)計迭代，并依托計算機(jī)中央處理單元和圖形計算單元的性能進(jìn)行光線（畫面）的計算，精度隨采樣精度提升而提升，計算時長成倍增長，但會獲得更加精細(xì)逼真的渲染畫面效果。因其特性，在汽車造型設(shè)計領(lǐng)域被應(yīng)用于可以預(yù)先設(shè)計好展示模式的展示環(huán)節(jié)，而對模型進(jìn)行實時互動評審的環(huán)節(jié)，因其需要進(jìn)行提前設(shè)置渲染，故與展示規(guī)劃不符的模型及場景無法獲得具有真實感的實時互動。汽車造型設(shè)計中基于離線渲染的典型應(yīng)用平臺包括VRED、Deltagen，是汽車行業(yè)造型設(shè)計中常用的渲染工具（圖1）。

圖1 使用VRED應(yīng)用平臺對車輛數(shù)字模型實施離線渲染

趙亮分析了光柵化與實時渲染技術(shù)，并指出實時渲染本質(zhì)上是對離線渲染加入了時間限定條件而產(chǎn)生的概念。早期的主流實時渲染算法為光柵化算法，該算法能夠?qū)?fù)雜的場景內(nèi)容拆分由若干像素組成的獨(dú)立的計算單元，可在圖形計算單元（GPU）性能有限的前提下，進(jìn)行快速且簡單的運(yùn)算，以提高對早期GPU有限計算效能的利用率，主要應(yīng)用于早期的動畫片制作及游戲交互中，但正因為這種對場景內(nèi)容的拆分，使其無法應(yīng)對復(fù)雜的光線交互，如對陰影，反射等光線交互的計算，因此難以實現(xiàn)渲染效果的真實感，并未在追求需要真實感相關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。隨著當(dāng)今GPU等硬件性能提升，使能夠模擬物理光線傳播特性的光線追蹤算法開始具備了應(yīng)用基礎(chǔ)。

在近2年GPU性能獲得巨大的提升，伴隨著多硬件協(xié)同技術(shù)的出現(xiàn)，光線追蹤算法被應(yīng)用到造型設(shè)計的實時渲染中，使實時渲染的真實感表達(dá)能力出現(xiàn)了極大飛躍。齊健發(fā)表專題文章指出，在Nvidia 公司圖靈構(gòu)架圖形處理器Quadro RTX發(fā)布以后，首次在處理器中引入RT Core計算單元用于加速對光線跟蹤的計算，旨在實現(xiàn)結(jié)合光柵化、光線跟蹤和深度學(xué)習(xí)的下一代圖形硬件愿景,同時關(guān)鍵領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新也獲得了進(jìn)步，包括流式多處理器（Streaming Multi Proeessor）效能的持續(xù)增強(qiáng)、對渲染過程中由AI自動降低畫面噪點(diǎn)技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化等。通過這些創(chuàng)新，在眾多工業(yè)應(yīng)用解決方案中解鎖了實時光線跟蹤性能，使渲染可以一邊計算畫面，一邊顯示輸出，即能夠以極高的速度將不斷變換視角的畫面進(jìn)行實時計算，在實施交互操作的同時能夠快速展現(xiàn)逼真的渲染效果，以實現(xiàn)隨時調(diào)整視角，隨時觀看畫面的目的。因圖形處理器性能大幅提升后使光線追蹤算法渲染具備了可進(jìn)行實時交互的能力特性，讓光線追蹤技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用在游戲、虛擬交互和建筑工業(yè)設(shè)計可視化環(huán)節(jié)，應(yīng)用前通常僅需對場景進(jìn)行一定的預(yù)設(shè)即可，可大幅降低離線渲染前期渲染制作所用工時。汽車造型設(shè)計基于實時渲染的典型應(yīng)用平臺包括Unreal Engine 4（UE4）和Unity。NVidia公司仍在不斷研發(fā)新技術(shù)，提升“光線追蹤圖形處理器”的性能，以增強(qiáng)兼具實時性與真實性的渲染表達(dá)能力，使二者之間的界限不斷模糊化。

2.2 現(xiàn)狀分析

目前在實時渲染算法的研究普遍基于減輕計算負(fù)荷的思路展開，包括光柵算法與光線追蹤算法混合的渲染思路，即一部分畫面由光柵化算法實現(xiàn)，拋棄真實性，另一部分由光線追蹤算法實現(xiàn)追求真實性，采用混合渲染的方式呈現(xiàn)畫面。馬存鎖提出了光柵算法與光線追蹤混合的算法設(shè)計方案，使用離線渲染計算的結(jié)果去應(yīng)用于實時渲染，但其對真實感的表達(dá)能力，在模型的表面散射、折射方面仍與離線渲染有可見的真實感表達(dá)差距。蔡至誠在論文中指出，雖然圖靈構(gòu)架GPU 對實時光線追蹤效能有了很好的改進(jìn)，但在當(dāng)今算力之下，基于蒙特卡洛渲染方程全局光的光線追蹤渲染仍不可能完全滿足實時交互的需求，因此基于面向光柵算法與光線追蹤算法結(jié)合的思路，其對光照模型實施了簡化，通過4個方法步驟，設(shè)計了混合渲染器并進(jìn)行驗證，實現(xiàn)了低采樣率下提高渲染真實感的算法優(yōu)化（圖2、圖3）。

圖2 混合渲染器設(shè)計思路框架[14]

圖3 混合渲染器設(shè)計構(gòu)架[14]

預(yù)處理與實時渲染混合的思路，即預(yù)先將部分光照信息通過計算渲染后以貼圖的形式預(yù)先存儲，并在場景中提供光照信息，以最大化提升實時交互時對光源的真實性表達(dá)，應(yīng)用工具如汽車造型設(shè)計實時渲染平臺Unity 中的Backed GI 算法功能等。Johannes提出了在動態(tài)環(huán)境下一種新的實時間接全局照明方法,關(guān)鍵點(diǎn)是通過使用點(diǎn)元收集局部照明的采集采樣信息和使用一組預(yù)計算的燈光傳輸，將燈光傳播到場景中，即將燈光聚合到緩存中，用于照明靜態(tài)和動態(tài)幾何體，以實現(xiàn)降低內(nèi)存負(fù)荷，節(jié)省硬件計算資源的目的。

采用對場景及模型進(jìn)行體素錐追蹤的方式，即從模型層面進(jìn)行模型體素化簡化，使用體素結(jié)構(gòu)簡化場景，以實現(xiàn)對光源簡化的思路。桂梅書提出了一種體素錐追蹤的光照算法，將簡化的體塊及光照信息存儲于貼圖中（圖4），試驗證明可使實時渲染在對非重點(diǎn)區(qū)域顯示保持低采樣率，同時獲得近似離線渲染的真實感。應(yīng)用工具如實時渲染平臺UE4 中的Level of Detail優(yōu)化等。

圖4 以輪轂?zāi)Ｐ蜑槔故緦δＰ瓦M(jìn)行體素化的過程示意

實時光線跟蹤渲染中對于透明對象的真實度表達(dá)尚存在諸多問題，如，渲染透明對象并使用實時光線追蹤近似折射等。針對該類問題，Wang提出了一種基于實時光線跟蹤的透明物體渲染模型，通過跟蹤光線近似的反射和折射，計算光線在透明對象內(nèi)的傳播，并通過模擬粗略的透明度，使用一種稱為局部光跟蹤的方法來近似焦散，實現(xiàn)對噪聲進(jìn)行抑制，試驗證明該方法也在一定程度上提高了渲染真實度與實時交互的顯示幀率。在交互中能夠?qū)崿F(xiàn)具有物理精確的折射效果是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，也成為當(dāng)前實時渲染光線追蹤研究的熱點(diǎn)，面對該類挑戰(zhàn)，Kougianos提出了一種混合方法，在論文中演示了如何使用該方法能夠執(zhí)行大規(guī)模動態(tài)水焦散的交互式渲染。

通過對汽車造型設(shè)計領(lǐng)域重點(diǎn)應(yīng)用的實時渲染平臺UE4進(jìn)行分析，其同樣采用了若干以犧牲質(zhì)量獲得計算減負(fù)的算法設(shè)計。以Lightmass功能為例，UE4可使用Lightmass 在前期對模型進(jìn)行光照烘焙，且Lightmass算法不僅是對單一物體光影貼圖進(jìn)行計算，其更是實現(xiàn)了一個區(qū)域陰影，即當(dāng)模型物體進(jìn)入陰影區(qū)域，則自動為進(jìn)入該區(qū)域的全部物體賦予陰影，而非逐一模型進(jìn)行實時計算。同時在UE4中，其對模型渲染遵循與視角無關(guān)的物體實行反射無關(guān)的策略，以省略對非重點(diǎn)觀察區(qū)域的光線計算。在高光區(qū)域采用全局輝光算法，使模型邊緣看起來更加柔滑朦朧，目的仍為計算減負(fù)，以保證顯示幀率，即保證實時互動的流暢性，以上策略均以降低渲染真實感為代價而實現(xiàn)的。通過對比，始終可見UE4在實時渲染輸出與VRED 在離線渲染輸出在細(xì)節(jié)真實感表達(dá)上的差距（圖5）。

圖5 UE4與VRED渲染對比

Zeng等表述了實時光線追蹤的難點(diǎn)，即在于如何實現(xiàn)可靠去噪點(diǎn)的問題，并提出了去噪點(diǎn)解決方案，以獲得純凈的圖像，但任何方案都受當(dāng)前硬件計算能力的限制。綜上，基于對不同實時渲染算法研究方向的分析，可知在當(dāng)前硬件條件下，未有任何算法可以實現(xiàn)純粹的光線追蹤算法實時渲染。雖然短期內(nèi)圖形計算單元性能會進(jìn)一步增強(qiáng)，但是依然無法改變對于仿真光線模擬計算量過于龐大、所需時間過長的本質(zhì)。在計算機(jī)性能發(fā)展出現(xiàn)革命性飛躍之前，離線渲染方向與實時渲染方向?qū)⒗^續(xù)共存。與此同時，離線渲染方面，同樣在GPU 性能增強(qiáng)后持續(xù)獲益,并持續(xù)增強(qiáng)真實性表達(dá)能力。

對于路徑追蹤算法，同是基于全局光照模型渲染真實感圖像的主要的4種算法之一，Christensen在論文中論述了路徑追蹤算法作為一種離線渲染，同樣是模擬光在場景中傳播的物理過程，但早期始終存在著若干問題，渲染實現(xiàn)過于復(fù)雜，且計算緩慢，并且在圖片中也會產(chǎn)生噪點(diǎn)，影響真實感表達(dá)?，F(xiàn)在，在應(yīng)用層面也發(fā)生了戲劇性的變化。路徑追蹤技術(shù)正在發(fā)展并被廣泛使用，并成為了電影工業(yè)渲染中的首選項。這一轉(zhuǎn)變的部分原因正是CPU 及GUP 性能的持續(xù)增強(qiáng)，伴隨著改善采樣和去噪點(diǎn)算法技術(shù)的發(fā)展，離線渲染有了更多追求真實感表達(dá)的手段（圖6）。

圖6 允許修改光傳輸[20]

利用搭載Nvidia 公司新一代圖靈構(gòu)架圖形處理器Quadro RTX的硬件設(shè)備，對模型采用路徑追蹤算法實施離線渲染，使數(shù)字模型渲染輸出呈現(xiàn)真實感。該輸出結(jié)果與采用光線追蹤算法實施離線渲染輸出所呈現(xiàn)的真實感較為接近（圖7）。

圖7 基于Nvidia的Quadro RTX的實施離線渲染

基于硬件性能的不斷發(fā)展，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界始終有強(qiáng)烈的動機(jī)去尋找使離線渲染更優(yōu)化的方案，并在真實感表現(xiàn)能力上始終對實時渲染保持優(yōu)勢。

3 車輛造型渲染趨勢預(yù)測

基于以上分析，汽車造型渲染的技術(shù)路線發(fā)展，本質(zhì)上還需取決于汽車造型設(shè)計的工作流程，即渲染結(jié)合虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)。在可預(yù)見的未來10年時間內(nèi)，需對離線渲染與實時渲染進(jìn)行同步部署，結(jié)合VR硬件設(shè)備，在市場銷售、虛擬評價、虛擬評審、虛擬人機(jī)和虛擬裝配環(huán)節(jié)形成驅(qū)動力，周軍在專題文章中，也從4 個方面介紹了VR 在汽車評審中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了實時渲染和交互在汽車設(shè)計過程中的重要性在逐漸增強(qiáng)。同時，因造型設(shè)計的不同階段對渲染的需求不同，其并非全流程都需要實施交互即實時渲染能力。

其中，基于光線追蹤算法的離線渲染應(yīng)用主要工具包括VRED 和Deltagen，這些工具可部署于面向?qū)y理、材質(zhì)這些對細(xì)節(jié)有較高要求的CMF造型設(shè)計分支領(lǐng)域，通過提前布置好場景，設(shè)置好相關(guān)渲染參數(shù)進(jìn)行預(yù)渲染，按既定展示計劃實施造型設(shè)計迭代及評審，在設(shè)計過程中持續(xù)展現(xiàn)并替代多數(shù)實物材質(zhì)和物理樣機(jī)。在面向銷售端靜態(tài)宣傳的圖片渲染方面，假定工時充足的前提下，VRED 對UE4 將持續(xù)保持真實感表達(dá)的優(yōu)勢。

基于圖形處理單元的性能提升為離線渲染帶來的算法優(yōu)化，可采用Disney的Hyperion和Pixar的RenderMan基于路徑追蹤的算法工具，對視頻及海報制作方面進(jìn)行支援性渲染，以獲取離線渲染在硬件性能增強(qiáng)后實現(xiàn)算法優(yōu)化后的紅利，如渲染噪點(diǎn)降低真實感增強(qiáng)等。

基于光線追蹤算法實時渲染的應(yīng)用工具如UE4和Unity 等，在內(nèi)外飾造型設(shè)計迭代過程中將逐漸發(fā)揮互動性強(qiáng)的優(yōu)勢。用于在近似于物理世界真實感的虛擬環(huán)境中，快速對CAS 數(shù)據(jù)著色和渲染，以對造型形面進(jìn)行快速檢視并迭代，節(jié)省在離線渲染中的前期時間成本。同時，因各類VR設(shè)備的興起，其對任意視角均存在渲染要求，可借助部署NVIS等工業(yè)級VR設(shè)備與實時渲染工具進(jìn)行配合，以實現(xiàn)沉浸式的內(nèi)飾感知評價及HMI人機(jī)交互評價。

4 總結(jié)與展望

目前實時光線追蹤技術(shù)依然處于發(fā)展的早期階段，依然有大量的問題需要解決。業(yè)界主流的實時渲染工具在一定程度上都是對光線計算進(jìn)行減負(fù)。對于純粹的光線追蹤算法實時渲染，并實現(xiàn)產(chǎn)品級的交互，始終是工業(yè)界及學(xué)術(shù)界的終極追求。同時在離線渲染領(lǐng)域的部分難題，如降噪、光線采樣等影響真實性表達(dá)的難題，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。