在实时渲染领域,光线追踪已从学术概念走向主流引擎与实时应用。基于 Vulkan 的光线追踪扩展为跨厂商标准化实现提供了路径,而 NVIDIA 提供的教学示例则把从传统光栅化迁移到光线追踪的关键步骤拆解为可编译、可调试的阶段化流程,适合希望掌握底层细节与工程实践的开发者。本文深入讲解 Vulkan 光线追踪的核心概念与实践要点,涵盖 BLAS/TLAS 结构、着色器绑定表(SBT)、光线追踪管线、着色器书写与调试技巧,以及性能与工程优化建议,帮助读者把理论与实战结合起来。 理解加速结构是迈入光线追踪的第一步。Vulkan 采用两层层次结构来组织场景几何数据:底层加速结构(BLAS)承载具体网格的三角形数据,而顶层加速结构(TLAS)通过实例化引用 BLAS 并包含每个实例的变换矩阵。两层设计带来的好处在于静态网格只需构建一次 BLAS,TLAS 则管理实例位置、旋转与缩放,支持高效的实例化与动态场景更新。
构建 BLAS 时需提供三角形描述、顶点格式、索引类型与 primitiveCount 等信息,同时查询 vkGetAccelerationStructureBuildSizesKHR 以获取 AS 大小与 scratch 缓冲需求。TLAS 的构建依赖一块包含 VkAccelerationStructureInstanceKHR 数组的实例缓冲区,注意实例的 transform 使用 VkTransformMatrixKHR 的行主顺序。正确处理 GPU 设备地址、对齐要求以及临时 scratch 缓冲是稳定构建的关键。 着色器绑定表(SBT)是 Vulkan 光线追踪的另一核心概念。SBT 将编译后的着色器组句柄按分区写入一块缓冲,包含 raygen、miss、hit 与 callable 四大区段。通过 vkGetRayTracingShaderGroupHandlesKHR 获取每个 shader group 的句柄后,需要根据物理设备属性 m_rtProperties 里给出的 shaderGroupHandleAlignment 与 shaderGroupBaseAlignment 做对齐。
SBT 的各个区域必须满足对齐与 stride 要求,调用 vkCmdTraceRaysKHR 时通过 VkStridedDeviceAddressRegionKHR 指定 deviceAddress、stride 与 size。直接管理 SBT 可以深入理解内部细节,但在工程化场景下可以考虑使用 nvvk::SBTGenerator 等工具简化构建流程与对齐计算。 光线追踪管线创建包含多个着色器阶段与着色器组的定义。基本的最小集合通常包括一个 ray generation 着色器、一个或多个 miss 着色器以及一个 closest hit 着色器。使用 Slang 或其他着色器编译链将散列着色器编译为 SPIR-V,然后在 VkRayTracingPipelineCreateInfoKHR 中注册 VkPipelineShaderStageCreateInfo 与 VkRayTracingShaderGroupCreateInfoKHR。在创建管线时需设置 maxPipelineRayRecursionDepth,根据后续是否需要二次或多次 TraceRay 调用来适当设置。
管线布局需要包含为光线追踪着色器准备的 descriptor set 与 push constant,通常会把 TLAS 与输出图像放到一个额外的 descriptor set 中,使贴图资源与 raytracing-specific 资源分离。 着色器开发方面,raygen 负责为每个像素构造主射线并调用 TraceRay,将光线的 payload 定义为跨阶段携带信息的结构体,例如颜色累加、权重和深度。closest hit 着色器从内置变量中获取交点的 barycentric、InstanceID 与 PrimitiveID,结合实例与网格缓冲地址读取顶点位置、法线与 UV,实现 PBR 材质评估。miss 着色器用于返回背景或天空色,并可实现环境映射采样。编写任何着色器时需注意避免自相交,通过设置 TMin 为非零值或在投射二次光线时添加法线偏移来规避。Slang 支持 push constant 与 descriptor 的绑定语法,建议在着色器内通过显式结构体访问场景信息,便于调试与热重载。
从光栅化切换到光线追踪的工业化迁移建议采用渐进式方式。先在应用层保留光栅化输出,同时在后台构建 BLAS 与 TLAS,验证加速结构在 Nsight Graphics 中的正确性,再逐步创建 ray tracing 管线与 SBT。第一次集成可以实现最简 raygen/closest hit/miss 着色器以输出基本颜色来验证管线与绑定是否正确,再逐步将 PBR、阴影与环境光等特性加入。热重载机制对迭代开发极为重要,集成 Slang 的动态编译与在运行时调用 vkQueueWaitIdle 之后重建管线可显著缩短调试周期。 性能优化是实际工程中必须面对的挑战。加速结构构建与更新策略对性能影响显著。
对于静态几何,优先在加载时构建 BLAS 并避免频繁重建。动态物体优先采用 TLAS 更新或使用 update 模式,以避免重建整个 BLAS 的开销。构建时可以合并多个网格到同一个 BLAS 以减少总体结构数量,但需权衡构建并行性与追踪性能。SBT 的内存布局与访问模式也会影响追踪效率,尽量减少 SBT 区段中重复或无效句柄,并避免在高频路径中频繁重建 SBT。 光线追踪管线中的光照与阴影处理需要合理控制光线数量与采样策略。直接光照可通过从 closest hit 发射 shadow ray 来判断遮挡,从而计算阴影因子,但每个光源的 shadow ray 会显著增加计算量。
可以通过重要性采样、基于概率的光源选择与多重重要性采样(MIS)降低噪点并提升效率。对于复杂材质与多次反射,采用基于路径的采样与 Russian roulette 剪枝策略,用 payload 中的 weight 与 depth 控制递归深度来平衡质量与性能。 良好的调试与可视化工具能大大缩短问题定位时间。NVIDIA Nsight Graphics 提供了对 Vulkan 加速结构的查看与光线追踪帧捕获功能,可以直观检查 TLAS/BLAS 的实例与层级信息,以及着色器执行情况。启用 Vulkan 验证层能帮助捕获常见 API 使用错误,例如对齐问题、未初始化内存或不当的 descriptor 绑定。针对 SBT 的问题,打印 shader group handle 的大小与偏移并在 CPU 端核验拷贝逻辑可以快速排查无效句柄或错位写入导致的管线调用失败。
在工程化方面,建议在项目中引入能够管理内存与上传操作的辅助库。nvvk 提供了 AccelerationStructureHelper 与 SBTGenerator 等实用工具,可以自动管理 scratch 缓冲、批量构建 BLAS/TLAS、计算并填充 SBT 并提供对齐信息,显著简化实现。选择何时直接使用 Vulkan 原语还是借助辅助库取决于项目需求:学习底层细节时直接使用 Vulkan 更具教育价值,而对于生产项目,辅助库能提高开发效率并降低细节性错误。 跨平台与硬件兼容性也是设计光线追踪系统时必须考虑的因素。Vulkan 的 Ray Tracing 扩展要求 Vulkan 1.4+ 与相应的物理设备扩展支持,不同厂商与 GPU 系列在属性与对齐需求上有所差异。利用 vkGetPhysicalDeviceProperties2 查询 VkPhysicalDeviceRayTracingPipelinePropertiesKHR 与 VkPhysicalDeviceAccelerationStructurePropertiesKHR 可获得 shaderGroupHandleSize、shaderGroupBaseAlignment、minAccelerationStructureScratchOffsetAlignment 等关键参数,确保在不同机器上都能正确对齐与分配资源。
对于追求更高图像质量的进一步扩展,可以考虑加入 any-hit 着色器以实现透明材质或 alpha 测试,callable 着色器用于封装复杂采样逻辑或环境查询,或利用 RTX 加速功能实现光线细分几何与硬件加速的球体几何类型。全局光照的实现可以逐步从简单的二次反弹扩展到多次路径追踪,并结合 denoiser 或 temporal accumulation 技术缓解蒙特卡洛采样噪点。 总结来看,掌握 Vulkan 光线追踪既需要理解加速结构与 SBT 等底层机制,也需要在着色器设计、管线管理与性能权衡上积累经验。通过分阶段迁移、工具链与辅助库的合理利用、以及持续的性能剖析与调整,开发者可以在保证工程可维护性的同时利用 GPU 硬件能力实现高质量的实时光线追踪效果。对于希望把光线追踪融入现有渲染引擎或学习底层实现细节的开发者而言,从 NVIDIA 提供的教学示例入手,是既能学习原理又能快速上手的高效路径。 。
