[Vulkan ray tracing] サンプルコードからの次の一歩 影と透過について

概要

ray tracingのAPIでは、シンプルなものなら影と透過(ガラスなどのオブジェクト)は比較的簡単に実装できる。

サンプルコード

NVIDIA Vulkan Ray Tracing Tutorial
記事の最後で、shadowについての記述がある。
https://nvpro-samples.github.io/vk_raytracing_tutorial_KHR/

traceRayEXT関数

raygenシェーダ、missシェーダ、rchitシェーダで使える超便利関数。originからdirection方向にrayを飛ばし、オブジェクトにhitすれば指定したrchitシェーダを、ヒットしなければ指定したmissシェーダを実行する。
traceRayEXT関数を初めて見るのはraygenシェーダだと思われるが、この関数はなんと冒頭の通り他のシェーダ内でも実行できる。
この関数を用いて、影や透過の判定を行う。

実施例

透明なキューブと色のある平面を描き、そこに左上から光を当てた絵。

影について

アイデアは非常にシンプルで、平面上の各点からlightに向けてtraceRayEXT関数を実行し、もしオブジェクトに当たればそこは影になると判断する。

rayhit.rchit

if(objId == 0 && dot(normal, L) > 0)
{
  float tMin = 0.001;
  float tMax = lightDistance;
  vec3 origin = worldPos;
  vec3 rayDir = L;
  uint flags = gl_RayFlagsTerminateOnFirstHitEXT | gl_RayFlagsOpaqueEXT 
                  | gl_RayFlagsSkipClosestHitShaderEXT;
  isShadowed = true;
  traceRayEXT(topLevelAS, flags, 0xFF, 0, 0, 1, origin, tMin, rayDir, tMax, 1);
  if(isShadowed)
  {
    attenuation = 0.3;
  }
}

shadow.rmiss

void main()
{
  isShadowed = false;
}

traceRayEXT()を実行するが、ここでの目的はrayがmissするかどうかだけである。isShadowed変数にあらかじめtrueを入れておき、「missシェーダが呼ばれる=rayが当たらない」という状況であればmissシェーダ内でisShadowedをfalseに書き換えることで、呼び出し元の点が影になっているかどうかを判断する。

透過について

これは上記リンクのサンプルコードには書かれていないが、アイデアは同じである。

rayhit.rchit

if(alpha < 1.0)
{
  float tMin = 0.01;
  float tMax = 100.0;
  pldBlend.pos = worldPos;
  pldBlend.hit = false;
  pldBlend.color = pushC.clearColor.xyz;
  vec4 cameraPos = cam.viewInverse * vec4(0, 0, 0, 1);
  vec3 direction = normalize(worldPos - cameraPos.xyz);
  uint flags = gl_RayFlagsOpaqueEXT;
  for(uint i = 0; i < 4; i++)
  {
    traceRayEXT(topLevelAS, flags, 0xFF, 1, 0, 2, pldBlend.pos, tMin, direction, tMax, 2); 
    if(pldBlend.hit)
      break;
  }
  color = mix(pldBlend.color, color, alpha);
}

判断はobjIdでも構わないが、rchitが呼ばれた点(worldPos)がガラスキューブ上である場合にこの処理を行う。worldPosをoriginとし、directionはcameraから見たworldPos方向とする。初期の色を背景の色としておき、この方向に向けて複数回traceRayEXT関数を実行し、平面にhitすればその場所の色をとってくる。注意点として、originは呼ぶたびに次のhitした地点の座標を入れる必要がある。
最後に、とってきた色とガラスキューブの色をmix関数でblendを行う。

最後に

ray tracingでは従来のrasterizer型のパイプラインとはレンダリングのアプローチの仕方が異なるように思える。従来のパイプラインだと各頂点ごとに動作を記述しているので、他の頂点にあわせてこうするといった記述は難しく、例えばシャドウマップなどの工夫が必要だったとだろうと思う。一方ray tracingではrayを飛ばして見える景色を描画するという思想なので、こういった影や透過に関しては、コードの記述が簡単になっているように感じる。