Unity3D 光栅化 vs 光线追踪：技术详解

前言

在实时渲染领域，Unity3D 提供了两种主要的渲染技术：光栅化和光线追踪。两者各有优劣，适用于不同的场景和需求。本文将深入探讨这两种技术的原理、优缺点，并通过代码示例展示如何在 Unity3D 中实现它们。

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一、光栅化 (Rasterization)

1.1 原理

光栅化是实时渲染中最常用的技术。它的核心思想是将 3D 场景中的几何体投影到 2D 屏幕上，并逐个像素地计算颜色值。具体步骤如下：

1. 顶点处理: 将 3D 模型的顶点坐标转换到屏幕空间。
2. 三角形遍历: 将三角形拆分成像素大小的片段。
3. 片段处理: 对每个片段进行着色计算，包括纹理采样、光照计算等。
4. 深度测试: 比较片段的深度值，决定是否更新像素颜色。
5. 颜色混合: 将片段颜色与帧缓冲区中的颜色进行混合。

1.2 优缺点

• 优点:
  • 速度快: 光栅化经过多年优化，在硬件上运行效率极高，能够满足实时渲染的需求。
  • 硬件支持: 几乎所有显卡都支持光栅化，兼容性好。
  • 易于实现: Unity3D 提供了完善的渲染管线，开发者可以轻松实现各种渲染效果。

• 缺点:
  • 光照效果有限: 光栅化通常使用简化光照模型，难以实现全局光照、阴影等复杂效果。
  • 几何细节不足: 光栅化对几何细节的处理有限，容易出现锯齿等问题。

1.3 代码实现

Unity3D 默认使用光栅化进行渲染。以下是一个简单的 Shader 示例，展示了如何使用光栅化进行漫反射光照计算：

Shader "Custom/DiffuseShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : NORMAL;
            };

            sampler2D _MainTex;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 漫反射光照计算
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float3 normal = normalize(i.worldNormal);
                float diff = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                col.rgb *= diff;
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

二、光线追踪 (Ray Tracing)

2.1 原理

光线追踪是一种模拟光线传播路径的渲染技术。它通过追踪从摄像机出发的光线，计算光线与场景中物体的交点，并根据交点处的材质属性、光照信息等计算像素颜色。具体步骤如下：

1. 光线生成: 从摄像机出发，为每个像素生成一条光线。
2. 光线求交: 计算光线与场景中所有物体的交点，找到最近的交点。
3. 着色计算: 根据交点处的材质属性、光照信息等计算像素颜色。
4. 递归追踪: 根据需要，递归地追踪反射、折射等光线，直到达到最大递归深度或光线离开场景。

2.2 优缺点

• 优点:
  • 渲染质量高: 光线追踪能够模拟真实的光线传播，实现全局光照、阴影、反射、折射等复杂效果，渲染质量极高。
  • 物理准确: 光线追踪基于物理光学原理，能够更真实地模拟现实世界的光照效果。

• 缺点:
  • 计算量大: 光线追踪需要计算大量光线与物体的交点，计算量巨大，难以满足实时渲染的需求。
  • 硬件要求高: 光线追踪需要强大的硬件支持，目前只有高端显卡才能较好地支持光线追踪。

2.3 代码实现

Unity3D 从 2019.3 版本开始支持光线追踪。以下是一个简单的 Shader 示例，展示了如何使用光线追踪进行镜面反射计算：

Shader "Custom/RayTracingShader"
{
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #pragma raytracing

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "UnityRaytracingMeshUtils.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                return o;
            }

            float4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 获取屏幕坐标
                float2 screenPos = i.vertex.xy / _ScreenParams.xy;

                // 生成光线
                RayDesc ray;
                ray.Origin = _WorldSpaceCameraPos;
                ray.Direction = normalize(float3(screenPos * 2.0 - 1.0, 1.0));

                // 光线追踪
                RayIntersection rayIntersection;
                rayIntersection.t = 1.#INF;
                rayIntersection.primitiveID = -1;
                rayIntersection.instanceID = -1;
                rayIntersection.barycentricCoordinates = float2(0.0, 0.0);

                TraceRay(_RaytracingAccelerationStructure, RAY_FLAG_NONE, 0xFF, 0, 0, 0, ray, rayIntersection);

                // 镜面反射
                if (rayIntersection.primitiveID != -1)
                {
                    float3 normal = UnityRayTracingGetTriangleNormal(rayIntersection);
                    float3 reflectedDir = reflect(ray.Direction, normal);
                    ray.Direction = reflectedDir;
                    ray.Origin = rayIntersection.worldPosition + normal * 1e-4;

                    TraceRay(_RaytracingAccelerationStructure, RAY_FLAG_NONE, 0xFF, 0, 0, 0, ray, rayIntersection);

                    if (rayIntersection.primitiveID != -1)
                    {
                        return float4(0.5, 0.5, 0.5, 1.0);
                    }
                }

                return float4(0.0, 0.0, 0.0, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

三、总结

光栅化和光线追踪是 Unity3D 中两种重要的渲染技术。光栅化速度快、效率高，适合实时渲染；光线追踪渲染质量高、物理准确，适合离线渲染和对画质要求极高的场景。随着硬件性能的不断提升，光线追踪在实时渲染中的应用也越来越广泛。开发者可以根据具体需求选择合适的渲染技术，并结合 Unity3D 提供的强大工具，创造出令人惊叹的视觉效果。

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Unity3D​www.bycwedu.com/promotion_channels/2146264125