有符号距离场(Signed Distance Field,SDF)

https://zhuanlan.zhihu.com/p/89701518

SDF的用途很多,可以用来做large scale AO, 软阴影等。UE4就用SDF来做AO和软阴影,SDF Ray-traced shaow 比PCSS软,而且和CSM相比,因为没有那么大的几何填充负担,所以反而要便宜很多,和静态的Shadow map相比,又可以支持物体级别的移动(虽然不支持顶点动画),所以是一个相当不错的阴影解决方案。堡垒之夜就用了这项技术,堡垒之夜的近处是级联阴影,远处是SDF Ray-traced shadow.

SDF 可以用一个标量场函数或者一张体贴图来表示,简单地来说就是一种空间的表达,里面存的是空间中一个点到最近的三角面的距离,如果在物体内部则是负值。如图所示:
有符号距离场(Signed Distance Field,SDF)_第1张图片
有符号距离场(Signed Distance Field,SDF)_第2张图片

因为是“距离”的标量场,所以用“距离”保留了空间信息,结合硬件插值可以更好地保留表面信息,不像体素一旦被体素化,所有几何信息就全部丢失了,原来的边界在哪里就不知道了,所以SDF的有效分辨率其实比体素要高的多。

SDF追踪的时候能加速,可以跳过空闲的空间。

既然标题写的是建场,那么这次主要分享的就是建场的内容。实际上虚幻用的是最简单的暴力建场,在每个位置发一堆光线求离附近所有三角面的距离,找出最近的那个作为距离场的值。

实际上这个过程相当慢,为了降低烘焙的开销,像在虚幻里一般我们用32x32x32分辨率就相当够了,如果要非常高的精度最大可以用128128128大小。然后一般可以考虑用8位的定点数来存储,最大范围scale到距离场的大小。

加速结构
kd树:建树
因为涉及到大量求交,所以我们这时候就需要用到空间划分了,UE用的是KDop树,这里我直接抄了pbrt上的kd树来用,下面简单描述下KD树。

kd树就是用xyz三个轴,每次取一个轴,用某个策略找一个最佳的划分点,在这个划分点分割,如此往复,直到把所有三角形都划分到叶子节点里。

划分过程如下图:
有符号距离场(Signed Distance Field,SDF)_第3张图片
kd树遍历
树构建好了之后,遍历就比较简单了,简单来说就是判断一下光线是否会与父亲节点相交,如果相交,再去判断子节点,与父节点相交的光线不一定会和每个子节点相交,遍历的时候不相交的部分,就可以全部跳过。

建场
暴力建场的方法,就是直接迭代323232个点,然后在每个点上向周围发射一大堆光线,然后保存交到的最小距离,作为距离场在这个点上的值。

值得一提的几个细节是,一般距离场的范围是比物体的AABB大一圈,我这里取的是扩大40%大小。

然后,在物体内部的点,距离存的是负值,然而不是所有曲面都是闭合的,有的时候我们没法区分内和外,虚幻用的是一个heuristic,如果50%以上的光线和三角形的正面相交,那么我们认为这个点在物体外面,如果50%以上的光线与三角形的背面相交,我们认为这个点在曲面内部,再借用一张虚幻的图:

Ray March
Sphere Tracing
https://www.cnblogs.com/murongxiaopifu/p/9175936.html
http://jamie-wong.com/2016/07/15/ray-marching-signed-distance-functions/
http://advances.realtimerendering.com/s2015/DynamicOcclusionWithSignedDistanceFields.pdf

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