4. Lumen - Screen Probe

1 概述

2 宏观逻辑

3 实现

screen probe 的更新逻辑入口 RenderLumenScreenProbeGather

3.1 放置

3.2 重要性采样

重要性采样的入口函数 GenerateImportanceSamplingRays，

3.2.1 PDF 估计

基于上一帧radiance的重要性采样

3.2.2 采样光线样本

具体实现在 shader ScreenProbeGenerateRaysCS 中

光线样本写入 RWStructuredImportanceSampledRayInfosForTracing，该buffer是按照screen probe以及probe分辨率排列的 atlas，但由于重要性采样某个球面texel的位置可能被重用给其它texel，因此buffer每个元素(uint) 记录了 PackRayInfo(SourceTexelCoord, SourceLevel)。

在后续过程中，使用 screen probe index 可以得到 screen probe 在 atlas 中的位置，再加上 trace texel coord 可以定位一个光线样本位置 TraceBufferCoord，之后可以使用 StructuredImportanceSampledRayInfosForTracing[TraceBufferCoord] 得到实际的光线信息 RayInfo，包含了其实际采样位置

3.3 追踪

screen probe 的追踪是一个分阶段的过程，

1. 屏幕空间追踪。对未找到交点的样本紧凑排列，送入下一阶段
2. near field 追踪。CompactTrace，送入下一阶段
3. far field 追踪。采样 radiance cache 或者 trace

3.3.1 样本排列

每个阶段对剩余样本的紧凑操作，将未得到交点的样本送入下一阶段。为了紧凑排列后还能找到样本所属probe，每个样本都会编码如下信息

uint EncodeScreenProbeTraceTexel(uint ScreenProbeIndex, uint2 TraceTexelCoord)
{
	return (ScreenProbeIndex & 0xFFFFF) | ((TraceTexelCoord.x & 0x1F) << 20) | ((TraceTexelCoord.y & 0x1F) << 25);
}

具体实现在 shader ScreenProbeCompactTracesCS，每个group负责一个screen probe，每个线程负责一个光线样本：

1. 从 buffer TraceHit 中读取是否已有交点
2. 可以在group/subgroup内计算前缀和，将未得到交点的样本紧凑排列到 RWCompactedTraceTexelData

3.3.2 Trace Screen

具体实现在 shader ScreenProbeTraceScreenTexturesCS 中，每个group负责一个screen probe，每个线程负责一个光线样本：

1. 根据 ScreenProbeIndex 获取屏幕空间位置 GetScreenProbeScreenPosition

   • NumUniformScreenProbes 范围内属于 uniform probe，因此可以直接变换为 uniform tile coord，再基于帧数抖动即可
   • NumUniformScreenProbes 范围外属于 adaptive probe，从 AdaptiveScreenProbeData buffer 中提取 ScreenProbeScreenPosition

2. 构建当前线程的光线样本

   • 光线起点，ScreenProbeScreenPosition 变换为世界坐标
   • 光线方向，GetScreenProbeTexelRay。从 StructuredImportanceSampledRayInfosForTracing 得到实际的 probe texel，使用球面映射得到光线方向

3. 执行屏幕空间追踪

   • 如果 hit，将交点投影回上一帧。计算 view_z，prev_view_z，如果二者差距大，则 hit = false。因为 ssrt 需要采样 prev_scene_color，需要剔除掉交点为去遮挡区域的情况

     // HistoryDeviceZ 是使用 motion vector 投影到上一帧的深度，PrevDeviceZ 是通过变换到上一帧得到的深度
     bHit = abs(HistoryDeviceZ - PrevDeviceZ) < HistoryDepthTestRelativeThickness * lerp(.5f, 2.0f, Noise);

4. 如果 bHit

   • WriteTraceHit。结果写入 RWTraceHit，分辨率与 StructuredImportanceSampledRayInfosForTracing 一致，即 screen probe atlas。
     hit 结果编码了 HitDistance, bHit, bMoving, bReachedRadianceCache 到一个float
   • 采样上一帧 scene color，写入 RWTraceRadiance，分辨率为 screen probe atlas

3.3.3 near-field 世界空间追踪

具体实现在 shader LumenScreenProbeGatherHardwareRayTracing，遍历的是 CompactedTraceTexelData ，每个线程一个光线样本。