Трассировка лучей в Vulkan 1.2

Начиная с версии 1.2.162, кроссплатформенный графический API Vulkan получил встроенную поддержку трассировки лучей на GPU (расширение GL_EXT_ray_tracing) - недавно консорциум Khronos Group анонсировал соответствующий SDK. Эта технология была представлена компанией NVIDIA еще в 2018 году, что стало переломным событием в истории игровой графики: наконец-то трассировка доступна не только в рендер-движках, но и в играх!

Основным методом рендеринга в играх сегодня является растеризация - отрисовка двумерных треугольников с интерполяцией вершинных атрибутов. Преимуществом растеризации всегда была простота и вычислительная дешевизна, что позволило в конце 1990-х годов перенести ее на видеоускорители. Однако возможности ее сильно ограничены, поскольку программируемый конвейер растеризации предполагает локальность данных: вершинный шейдер обрабатывает только одну вершину, пиксельный шейдер - только один пиксель. Точная реализация многих оптических феноменов требует полной информации об окружении: это, например, тени, отражения, преломления, глобальное освещение и т.д. Их невозможно рассчитать "честно" без доступа ко всей сцене целиком. Трассировка лучей решает эту проблему, поскольку в ней информация о сцене всегда доступна полностью, однако видеокарты и графические API до сих пор не предоставляли встроенных средств для трассировки лучей. В последние годы стали появляться гибридные графические движки, объединяющие растеризацию с некоторыми элементами трассировки - например, для рендеринга тех же отражений. Обычно в таких случаях применяются упрощенные алгоритмы трассировки в экранном пространстве (screen space), легко реализуемые в рамках традиционного графического конвейера, но не являющиеся "честными".

Появление RTX от NVIDIA (а вскоре и аналогичной технологии в видеокартах семейства Radeon 6000 от AMD), фактически, сместило всю "координатную систему" современного рендеринга: становится возможным полный отказ от растеризации в пользу трассировки. Для использования RTX в приложениях NVIDIA изначально предложила API OptiX, затем появился DXR в DirectX, однако унифицированного кроссплатформенного решения долгое время не существовало - Vulkan с расширением GL_EXT_ray_tracing призван решить эту проблему.

Пайплайн трассировки выглядит, в общих чертах, следующим образом:

1. Для каждого пикселя кадра GPU выполняет шейдер генерирования луча (ray generation shader). Он похож на вычислительный шейдер со встроенной функциональностью для обнаружения пересечений геометрии сцены с произвольным лучом.
2. При потенциальном пересечении луча со сценой выполняется шейдер пересечения (intersection shader). API трассировки предоставляет готовый оптимизированный шейдер пересечения для треугольников. Пользователь может задать свои шейдеры пересечения для других примитивов и параметрических поверхностей.
3. Если обнаружено пересечение, то оно обрабатывается шейдером попадания (hit shader) - именно в нем происходит вычисление цвета пикселя. В противном случае луч передается шейдеру пропуска (miss shader) - он может использоваться, например, для присвоения пикселю цвета фона. Если необходимо, шейдер попадания может генерировать новые лучи - например, чтобы вычислить интеграл освещенности.