Unity Compute Shader光线追踪记录|无聊罐子的觅风之旅

GitHub 链接：HTTPS://GitHub.com/UriPomer/Unity-Path-Tracing

本人去年（2024）中旬开始想入门一点图形学，有点感兴趣，也对我的职业生涯有帮助，于是当时两周入门，并写了这个项目。后来因为其他事情一直搁置，最近心血来潮把他的效果修正了，帧数还不太高。

等下一次心血来潮的时候，继续学习，优化到实时渲染的水平

现在长这样：

中间长这样：

一开始长这样的：

一、项目概览

概览：在 Unity 中用 ComputeShader 实现一套真实感强、性能可控的实时光线追踪管线。多阶段优化：从纯球体→BVH→多材质→PBR 无偏估计（Russian Roulette） Cook–Torrance 微表面 BRDF 软阴影、多光源支持
性能：通过内存带宽与算法优化，复杂场景 FPS 从 ~1.7 提升至 ~37；简单场景可达 120 FPS 以上。

二、渲染方程（Rendering Equation）

在路径追踪（Path Tracing）中，我们解决经典的 Kajiya 渲染方程：

Lo(x,ωo)=Le(x,ωo)+∫Ωfr(x,ωi,ωo)Li(x,ωi)(n⋅ωi)dωi

算法思路：

采样：每次击中，随机采样一个方向 ωi
无偏估计：利用 Russian Roulette 控制路径长度
累加：将 frLi(n⋅ωi)/pdf 累加到辐射贡献

由于我有点光源和自发光物体，我会在每次 bounce 都显示对光进行采样，代码中 Li、余弦项、pdf、fr 都是分开解耦的。

三、光照模型 —— Cook–Torrance 微表面 BRDF

我们采用经典的 Cook–Torrance 模型，将 BRDF 拆分为以下三部分：

分布函数 D(h)：GGX 法线分布
几何遮蔽函数 G(v,l)：Smith GGX
菲涅尔项 F(v,h)：Schlick 近似或精确 Dielectric

最终：

fr(n,v,l)=D(h)G(v,l)F(v,h)4(n⋅v)(n⋅l)

α：粗糙度平方

核心 HLSL 实现

hlsl
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// 菲涅尔——Schlick 近似
float3 SchlickFresnel(float cosTheta, float3 F0)
{
    return lerp(F0, 1.0, pow(1.0 - cosTheta, 5.0));
}

// GGX 法线分布
float DistributionGGX(float3 N, float3 H, float alpha)
{
    float NdotH = saturate(dot(N,H));
    float a2 = alpha*alpha, d = NdotH*NdotH*(a2-1.0)+1.0;
    return a2 / (PI * d * d);
}

// Smith GGX 遮蔽—蒙版函数
float SmithG(float NdotV, float alpha)
{
    float a2 = alpha*alpha, b = NdotV*NdotV;
    return (2.0*NdotV)/(NdotV + sqrt(a2 + b - a2*b));
}

float GeometrySmith(float3 N, float3 V, float3 L, float alpha)
{
    return SmithG(saturate(dot(N,V)),alpha)
         * SmithG(saturate(dot(N,L)),alpha);
}

// 组合 Specular BRDF
void SpecReflModel(RayHit hit, float3 V, float3 L, float3 H,
                   out float3 f_brdf, out float pdf)
{
    float NdotV = saturate(dot(hit.normal,V));
    float NdotL = saturate(dot(hit.normal,L));
    float3 F0   = lerp(float3(0.04), hit.material.albedo, hit.material.metallic);
    float alpha = hit.material.roughness * hit.material.roughness;

    float3 F = SchlickFresnel(dot(V,H), F0);
    float D = DistributionGGX(hit.normal,H,alpha);
    float  G = GeometrySmith(hit.normal,V,L,alpha);

    f_brdf = F * G * D / max(4.0 * NdotV * NdotL, 1e-4);
    pdf    = (D * dot(hit.normal,H)) / max(4.0 * dot(V,H), 1e-4);
}

Tip：为了改善重要性采样效果，我们使用 GGX VNDF（可参考 SampleGGXVNDF 函数）来准确采样微表面法线分布。

四、路径追踪主循环

在 Shade(Ray ray) 中，进行最多 _TraceDepth 次弹跳：

hlsl
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float3 Shade(Ray ray)
{
    float3 throughput = 1, L_total = 0;
    for (int b = 0; b < _TraceDepth; ++b)
    {
        RayHit hit = Trace(ray);
        if (hit.distance == INF) { L_total += throughput * SampleSkybox(ray); break; }
        // 自发光
        if (hit.material.emissionIntensity > 0)
            L_total += throughput * hit.material.emission * hit.material.emissionIntensity;

        float3 V = -ray.dir;
        // 计算反射/折射方向并更新 throughput
        // …（见上文 SpecReflModel / SpecRefrModel）

        // 直接光：多光源迭代
        float3 Lo = GetLightContribution(hit, ray.dir);
        L_total += throughput * Lo;

        // Russian Roulette
        float p = max(max(throughput.r, throughput.g), throughput.b);
        if (RNG_Next(rng) >= p) break;
        throughput /= p;

        // 更新射线
        ray.origin = hit.position + hit.normal * 1e-5;
        ray.invDir  = 1.0 / ray.dir;
    }
    return L_total;
}