二十八、NVIDIA Falcor教程 - 路径追踪器（PathTracer）

NVIDIA Falcor的路径追踪器（PathTracer）是一个基于DXR 1.1实现的无偏路径追踪器，支持屏幕空间光线生成、重要性采样和嵌套介质处理，适用于实时渲染中的高质量全局光照计算。

1. 运行环境配置

• 构建与启动：在Visual Studio中构建Falcor项目，选择Mogwai作为启动项目。
• 加载脚本：运行Source/Mogwai/Data/PathTracer.py（基础版）或PathTracerNRD.py（去噪版）。
• 加载场景：加载media/Arcade/Arcade.pyscene文件，拖动相机视角可观察降噪效果（快速拖动时噪点明显）。

2. 渲染层架构

• 四层RenderPass：PathTracer是核心层，基于屏幕空间信息生成路径，支持无偏渲染。
• 输入参数：

  必选：vbuffer（命中网格体/原始序号及重心坐标，用于获取首次碰撞的顶点和材质数据）。

  可选：mvec（运动向量）、viewW（观察方向）、sampleCount（自适应采样数）。

• 输出参数：

  基础输出：color（最终Radiance）、albedo（漫反射率）、normal（法线）。

  调试输出：rayCount（光线数目）、pathLength（路径长度）。

  去噪输出：nrd*（NRD去噪器专用数据）。

1. 执行流程

• 光线生成：通过raygen shader对每个像素追踪光线，直到达到最大路径长度。
• 着色处理：由hit/miss shader完成，可见性光线通过TraceRayInline追踪。
• 采样策略：

  屏幕空间采样：每个像素追踪samplesPerPixel根光线，实时渲染中SPP通常为1或小整数。

  光源采样：随机选择解析光源、环境贴图或网格光源，使用重要性采样（MIS）。

2. 光线弹射控制

• 参数调整：通过maxSurfaceBounces、maxDiffuseBounces、maxSpecularBounces和maxTransmissionBounces控制光线弹射次数。

  透射（Transmission）：通常设置为较高值（如10），允许光线通过更多介质表面。

  漫反射/镜面反射：通常设置为较低值（如3）。

• 参数修改界面：在渲染层编辑器或Mogwai中直接调整参数。

3. 参数更新逻辑

• renderRenderingUI函数：标记参数是否被修改（dirty），若被修改则触发重新编译。
• updatePrograms函数：检查mRecompile标志，若为true则重新编译程序。

1. BSDF采样（MIS）

• 材质模型：迪士尼各向同性漫反射、Trowbridge-Reitz GGX镜面反射/透射。
• 采样选择：随机选择漫反射、镜面反射或透射，粗糙度接近0时采用理想镜面反射/透射。

2. 环境贴图采样（MIS）

• 加速结构：使用Mipmap加速，基于Mipmap层级计算入射Radiance加权和。
• 采样方法：采样PDF与入射Radiance成比例，忽略余弦项和可见项。

3. 自发光网格采样（MIS）

• 层次结构：对发光三角形构建BVH，预积分光通量并排除非发光三角形。
• 采样方法：层次重要性采样，优先采样高光通量区域。

4. 解析光源采样

• 光源类型：点光源、方向光源、远距离光源、四边形/圆盘/球体光源。
• 采样方法：等概率选择各光源，避免单一光源主导采样结果。

1. 场景配置

• 材料属性：在.pyscene文件中配置透射材质（如玻璃、液体），需设置以下参数：

  indexOfRefraction：折射率（如玻璃1.55、水1.33）。

  specularTransmission：透射率（1表示完全透射）。

  doubleSided：启用双面渲染，避免法线方向问题。

  nestedPriority：优先级标识，值越大优先级越高（默认0为最高优先级）。

2. 示例配置

3. 优先级处理

• 栈方法：Falcor使用基于栈的方法解决嵌套介质优先级问题，通过nestedPriority变量标识优先级。
• 避免空气夹缝：嵌套介质网格需重合，优先级高的材质优先处理光线交互。