车辆造型设计渲染中基于全局光照理论下的真实感与实时性研究

张晓蕾 隋志华 王冠

（一汽-大众汽车有限公司，长春 130013）

主题词：渲染 全局光照 光线追踪 真实感 实时性

GPU Graphics Processing Unit AI Artificial Intelligence CPU Centre Process Unit

CMF Color Material Finishing CAS Computer Aided Styling VR Virtual Reality HMI Human Machine Interface SHL Spherical Harmonic Lighting

1 前言

车辆造型渲染是使用计算机模拟现实的世界，用于辅助造型设计师在车辆被制造前，对车辆造型进行观察和感知的方法，以实现快速的设计迭代，缩短开发周期及降低开发成本，造型渲染已成为汽车设计中的重要环节，近年来计算机图形学在车辆造型渲染中获得了广泛应用。赵靖归纳指出，计算机图形学是利用各种算法将面、体以一种栅格形式在显示器上呈现图像的方法进行研究的学科。李天博士指出数字化图像所呈现的真实感是通过计算机对模型及场景在遵循必要规则的前提下通过不同的技术模拟途径进行计算，最终使数字图像实现如真实照片一样的效果。张丽归纳指出真实感与光照计算的关系，即计算的方程依据于计算机图形学中不同的光照理论模型。其中，被广泛应用的光照理论模型为全局光照理论模型，该模型是由Kajiya于1986年基于蒙特卡洛方法（用随机数来解决很多计算问题的方法）提出的渲染方程，并将其引入计算机图形学，开创并建立了全局光照（Global Illumination）理论，这一理论对光线的传输模拟进行了解释，描绘了光在模型场景中的传播方式。对Kajiya渲染方程的求解过程即为在渲染中获得真实感的实现方式。

桂梅书在论文中描述了实现全局光照的3种方法，其中在全局光照理论模型中，对光线的描述被分为2个部分，从光源发出的光线，仅经一次物体表面反射，即进入成像画面内的光照，称为直接光照。需要经历2次或更多次物体间反射的，称为间接光照，而对直接光照计算与间接光照计算的总和，则称为全局光照。故全局光照对光线的计算本质是模拟于现实世界中光的传播物理特性，若不计计算成本，模拟效果可无限接近真实世界。因其对真实感的表达能力，基于全局光照的各类渲染算法技术一直是当今计算机图形学领域努力探索的热点问题，目前追求真实感的设计软件工具，或各种工业领域的应用，也都普遍基于该理论展开。在Kajiya渲染方程出现后，也衍生了很多与之算法近似的基于全局光照的算法流派，并产生出不同的软件工具，被用于各种工业生产及艺术创作领域。基于全局光理论下的算法主要包括：光线追踪算法（Ray tracing）、路径追踪算法（Path tracing）、辐射度算法(Radiosity)和球谐光照算法(Spherical Harmonic Lighting,SHL)。

目前在国外有关基于全局光照模型渲染理论的研究发展已经有了很多经典专著，Akenine-Molller对实时渲染理论进行了深入研究，PHARR在离线渲染方面专注于光线追踪算法方面研究，Dutré在全局光方面的研究奠定了这一领域的理论基础。这些专著对各渲染分支方向的研究发展起到了支撑作用。每年的SIGGRAPH计算机图形学会议上，会展示发表全球范围的专业论文，对判研渲染技术发展走势有着重要作用，秦春林在专著《全局光照技术-从离线渲染到实时渲染》中汇总了近5年全局光照领域的主要研究成果。

Cook在1984年的计算机图形学会议发表论文指出，光线追踪在基于全局光照模型理论的众多算法中，光线追踪算法是实现全局光照计算的最有效途径之一。光线追踪算法在面向销售、传媒、建筑和制造需要真实感，不需要实时性的离线渲染领域有着长期且广泛的应用。近年在Nvidia、AMD 等图形硬件公司，推动图形计算单元的性能实现跃迁式发展后，光线追踪算法也被引入游戏、虚拟交互这些对实时性有较高要求的领域，并使实时渲染的真实感表达实现了飞跃。

2 车辆造型渲染发展历史与现状

2.1 历史发展

在不计成本的前提条件下，光线追踪对真实感的表达甚至可以趋近于无限接近真实。同时光线追踪技术也是汽车造型流程中进行渲染的主要工具。只要计算更多的光线，渲染效果便更加接近现实的物理反射，同时获得更加平顺的光影强度衰减，更少的画面噪点。在应用层面需要始终面对很多考量，即如何在资源及真实感中做出平衡与取舍，为此，光线追踪算法在应用层面分为2个主方向。方向1是追求真实感、不追求实时性而进行的基于光线追踪的离线渲染；方向2是同时追求实时性与真实感而进行的基于光线追踪的实时渲染。

离线渲染需要根据点、线、面和贴图元素，对模型和场景进行构建与设计迭代，并依托计算机中央处理单元和图形计算单元的性能进行光线（画面）的计算，精度随采样精度提升而提升，计算时长成倍增长，但会获得更加精细逼真的渲染画面效果。因其特性，在汽车造型设计领域被应用于可以预先设计好展示模式的展示环节，而对模型进行实时互动评审的环节，因其需要进行提前设置渲染，故与展示规划不符的模型及场景无法获得具有真实感的实时互动。汽车造型设计中基于离线渲染的典型应用平台包括VRED、Deltagen，是汽车行业造型设计中常用的渲染工具（图1）。

图1 使用VRED应用平台对车辆数字模型实施离线渲染

赵亮分析了光栅化与实时渲染技术，并指出实时渲染本质上是对离线渲染加入了时间限定条件而产生的概念。早期的主流实时渲染算法为光栅化算法，该算法能够将复杂的场景内容拆分由若干像素组成的独立的计算单元，可在图形计算单元（GPU）性能有限的前提下，进行快速且简单的运算，以提高对早期GPU有限计算效能的利用率，主要应用于早期的动画片制作及游戏交互中，但正因为这种对场景内容的拆分，使其无法应对复杂的光线交互，如对阴影，反射等光线交互的计算，因此难以实现渲染效果的真实感，并未在追求需要真实感相关的工业领域获得广泛应用。随着当今GPU等硬件性能提升，使能够模拟物理光线传播特性的光线追踪算法开始具备了应用基础。

在近2年GPU性能获得巨大的提升，伴随着多硬件协同技术的出现，光线追踪算法被应用到造型设计的实时渲染中，使实时渲染的真实感表达能力出现了极大飞跃。齐健发表专题文章指出，在Nvidia 公司图灵构架图形处理器Quadro RTX发布以后，首次在处理器中引入RT Core计算单元用于加速对光线跟踪的计算，旨在实现结合光栅化、光线跟踪和深度学习的下一代图形硬件愿景,同时关键领域技术创新也获得了进步，包括流式多处理器（Streaming Multi Proeessor）效能的持续增强、对渲染过程中由AI自动降低画面噪点技术的持续优化等。通过这些创新，在众多工业应用解决方案中解锁了实时光线跟踪性能，使渲染可以一边计算画面，一边显示输出，即能够以极高的速度将不断变换视角的画面进行实时计算，在实施交互操作的同时能够快速展现逼真的渲染效果，以实现随时调整视角，随时观看画面的目的。因图形处理器性能大幅提升后使光线追踪算法渲染具备了可进行实时交互的能力特性，让光线追踪技术可以被广泛应用在游戏、虚拟交互和建筑工业设计可视化环节，应用前通常仅需对场景进行一定的预设即可，可大幅降低离线渲染前期渲染制作所用工时。汽车造型设计基于实时渲染的典型应用平台包括Unreal Engine 4（UE4）和Unity。NVidia公司仍在不断研发新技术，提升“光线追踪图形处理器”的性能，以增强兼具实时性与真实性的渲染表达能力，使二者之间的界限不断模糊化。

2.2 现状分析

目前在实时渲染算法的研究普遍基于减轻计算负荷的思路展开，包括光栅算法与光线追踪算法混合的渲染思路，即一部分画面由光栅化算法实现，抛弃真实性，另一部分由光线追踪算法实现追求真实性，采用混合渲染的方式呈现画面。马存锁提出了光栅算法与光线追踪混合的算法设计方案，使用离线渲染计算的结果去应用于实时渲染，但其对真实感的表达能力，在模型的表面散射、折射方面仍与离线渲染有可见的真实感表达差距。蔡至诚在论文中指出，虽然图灵构架GPU 对实时光线追踪效能有了很好的改进，但在当今算力之下，基于蒙特卡洛渲染方程全局光的光线追踪渲染仍不可能完全满足实时交互的需求，因此基于面向光栅算法与光线追踪算法结合的思路，其对光照模型实施了简化，通过4个方法步骤，设计了混合渲染器并进行验证，实现了低采样率下提高渲染真实感的算法优化（图2、图3）。

图2 混合渲染器设计思路框架[14]

图3 混合渲染器设计构架[14]

预处理与实时渲染混合的思路，即预先将部分光照信息通过计算渲染后以贴图的形式预先存储，并在场景中提供光照信息，以最大化提升实时交互时对光源的真实性表达，应用工具如汽车造型设计实时渲染平台Unity 中的Backed GI 算法功能等。Johannes提出了在动态环境下一种新的实时间接全局照明方法,关键点是通过使用点元收集局部照明的采集采样信息和使用一组预计算的灯光传输，将灯光传播到场景中，即将灯光聚合到缓存中，用于照明静态和动态几何体，以实现降低内存负荷，节省硬件计算资源的目的。

采用对场景及模型进行体素锥追踪的方式，即从模型层面进行模型体素化简化，使用体素结构简化场景，以实现对光源简化的思路。桂梅书提出了一种体素锥追踪的光照算法，将简化的体块及光照信息存储于贴图中（图4），试验证明可使实时渲染在对非重点区域显示保持低采样率，同时获得近似离线渲染的真实感。应用工具如实时渲染平台UE4 中的Level of Detail优化等。

图4 以轮毂模型为例展示对模型进行体素化的过程示意

实时光线跟踪渲染中对于透明对象的真实度表达尚存在诸多问题，如，渲染透明对象并使用实时光线追踪近似折射等。针对该类问题，Wang提出了一种基于实时光线跟踪的透明物体渲染模型，通过跟踪光线近似的反射和折射，计算光线在透明对象内的传播，并通过模拟粗略的透明度，使用一种称为局部光跟踪的方法来近似焦散，实现对噪声进行抑制，试验证明该方法也在一定程度上提高了渲染真实度与实时交互的显示帧率。在交互中能够实现具有物理精确的折射效果是一项具有挑战性的任务，也成为当前实时渲染光线追踪研究的热点，面对该类挑战，Kougianos提出了一种混合方法，在论文中演示了如何使用该方法能够执行大规模动态水焦散的交互式渲染。

通过对汽车造型设计领域重点应用的实时渲染平台UE4进行分析，其同样采用了若干以牺牲质量获得计算减负的算法设计。以Lightmass功能为例，UE4可使用Lightmass 在前期对模型进行光照烘焙，且Lightmass算法不仅是对单一物体光影贴图进行计算，其更是实现了一个区域阴影，即当模型物体进入阴影区域，则自动为进入该区域的全部物体赋予阴影，而非逐一模型进行实时计算。同时在UE4中，其对模型渲染遵循与视角无关的物体实行反射无关的策略，以省略对非重点观察区域的光线计算。在高光区域采用全局辉光算法，使模型边缘看起来更加柔滑朦胧，目的仍为计算减负，以保证显示帧率，即保证实时互动的流畅性，以上策略均以降低渲染真实感为代价而实现的。通过对比，始终可见UE4在实时渲染输出与VRED 在离线渲染输出在细节真实感表达上的差距（图5）。

图5 UE4与VRED渲染对比

Zeng等表述了实时光线追踪的难点，即在于如何实现可靠去噪点的问题，并提出了去噪点解决方案，以获得纯净的图像，但任何方案都受当前硬件计算能力的限制。综上，基于对不同实时渲染算法研究方向的分析，可知在当前硬件条件下，未有任何算法可以实现纯粹的光线追踪算法实时渲染。虽然短期内图形计算单元性能会进一步增强，但是依然无法改变对于仿真光线模拟计算量过于庞大、所需时间过长的本质。在计算机性能发展出现革命性飞跃之前，离线渲染方向与实时渲染方向将继续共存。与此同时，离线渲染方面，同样在GPU 性能增强后持续获益,并持续增强真实性表达能力。

对于路径追踪算法，同是基于全局光照模型渲染真实感图像的主要的4种算法之一，Christensen在论文中论述了路径追踪算法作为一种离线渲染，同样是模拟光在场景中传播的物理过程，但早期始终存在着若干问题，渲染实现过于复杂，且计算缓慢，并且在图片中也会产生噪点，影响真实感表达。现在，在应用层面也发生了戏剧性的变化。路径追踪技术正在发展并被广泛使用，并成为了电影工业渲染中的首选项。这一转变的部分原因正是CPU 及GUP 性能的持续增强，伴随着改善采样和去噪点算法技术的发展，离线渲染有了更多追求真实感表达的手段（图6）。

图6 允许修改光传输[20]

利用搭载Nvidia 公司新一代图灵构架图形处理器Quadro RTX的硬件设备，对模型采用路径追踪算法实施离线渲染，使数字模型渲染输出呈现真实感。该输出结果与采用光线追踪算法实施离线渲染输出所呈现的真实感较为接近（图7）。

图7 基于Nvidia的Quadro RTX的实施离线渲染

基于硬件性能的不断发展，工业界和学术界始终有强烈的动机去寻找使离线渲染更优化的方案，并在真实感表现能力上始终对实时渲染保持优势。

3 车辆造型渲染趋势预测

基于以上分析，汽车造型渲染的技术路线发展，本质上还需取决于汽车造型设计的工作流程，即渲染结合虚拟现实交互技术。在可预见的未来10年时间内，需对离线渲染与实时渲染进行同步部署，结合VR硬件设备，在市场销售、虚拟评价、虚拟评审、虚拟人机和虚拟装配环节形成驱动力，周军在专题文章中，也从4 个方面介绍了VR 在汽车评审中的应用，强调了实时渲染和交互在汽车设计过程中的重要性在逐渐增强。同时，因造型设计的不同阶段对渲染的需求不同，其并非全流程都需要实施交互即实时渲染能力。

其中，基于光线追踪算法的离线渲染应用主要工具包括VRED 和Deltagen，这些工具可部署于面向对纹理、材质这些对细节有较高要求的CMF造型设计分支领域，通过提前布置好场景，设置好相关渲染参数进行预渲染，按既定展示计划实施造型设计迭代及评审，在设计过程中持续展现并替代多数实物材质和物理样机。在面向销售端静态宣传的图片渲染方面，假定工时充足的前提下，VRED 对UE4 将持续保持真实感表达的优势。

基于图形处理单元的性能提升为离线渲染带来的算法优化，可采用Disney的Hyperion和Pixar的RenderMan基于路径追踪的算法工具，对视频及海报制作方面进行支援性渲染，以获取离线渲染在硬件性能增强后实现算法优化后的红利，如渲染噪点降低真实感增强等。

基于光线追踪算法实时渲染的应用工具如UE4和Unity 等，在内外饰造型设计迭代过程中将逐渐发挥互动性强的优势。用于在近似于物理世界真实感的虚拟环境中，快速对CAS 数据着色和渲染，以对造型形面进行快速检视并迭代，节省在离线渲染中的前期时间成本。同时，因各类VR设备的兴起，其对任意视角均存在渲染要求，可借助部署NVIS等工业级VR设备与实时渲染工具进行配合，以实现沉浸式的内饰感知评价及HMI人机交互评价。

4 总结与展望

目前实时光线追踪技术依然处于发展的早期阶段，依然有大量的问题需要解决。业界主流的实时渲染工具在一定程度上都是对光线计算进行减负。对于纯粹的光线追踪算法实时渲染，并实现产品级的交互，始终是工业界及学术界的终极追求。同时在离线渲染领域的部分难题，如降噪、光线采样等影响真实性表达的难题，仍需进一步优化。