4.3 动态场景：TLAS与BLAS

4.3 动态场景：TLAS 与 BLAS

上一节建好了一棵近乎完美的静态树，本节第一件事就是把它弄乱：让角色迈步、车轮旋转、粒子迸溅。树是按某一帧的几何长出来的，几何一动，树的假设就作废——重走 4.2 的建树流程每帧来一遍？SAH 建树在百万三角形上要几十到几百毫秒，实时预算根本不允许。本节给出工业界的完整答案：先按运动类型选维护策略（refit 还是 rebuild），再用 TLAS 与 BLAS 的双层结构把更新代价精准隔离到"真正动了的那一小块"。这一节也是第 7、8 章实时管线的直接地基。

三类运动，三副药方

动态性不是一种东西，先分光谱。刚体运动：物体整体平移旋转，内部顶点相对关系不变——树结构完全不用动，第 3 章的实例化技巧原样生效，每帧只更新一个变换矩阵，成本几乎为零。形变运动：骨骼蒙皮、软体仿真让顶点位移但拓扑不变——树的骨架大体仍有效，问题只出在包围盒撑不住新位置。拓扑运动：物体分裂融合、粒子生成消亡，基元集合本身在变——旧树逻辑上已死，只能重建。给三类运动各配一副药：

刚体：  只动变换矩阵，BLAS 原样复用（代价 ≈ 0）
形变：  refit——自底向上重算包围盒（毫秒级，树不变，质量缓慢退化）
拓扑：  rebuild——重新执行建树（贵；用时间切片或异步分摊到多帧）
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Refit 的做法朴素到一目了然：按层次从叶往根扫一遍，每个节点的新盒子等于两个子盒的并。它快在只算包围盒、不重排基元，缺点是树形不再贴合新的几何分布——基元大幅移动后盒子互相重叠、裁剪失效，遍历性能逐帧滑坡。Rebuild 是 4.2 的全套 SAH 流程，质量最优但贵。两者之间还有折中派：定期 rebuild 加每帧 refit、只在 SAH 代价恶化的子树局部重建（所谓可重构树）。选型的算术很简单：refit 成本约为树的节点数乘常数，rebuild 成本约为基元数乘对数——前者对帧率友好，后者对质量负责，预算夹在中间时按子树分摊。

图：TLAS 与 BLAS 双层职责

双层结构：把贵的更新关进小房间

TLAS 与 BLAS 的分工是把第 3 章实例化推到加速结构层面。**BLAS（底层加速结构）**管"一件几何内部"：一个角色的蒙皮网格、一辆车的车身，内部是标准的 SAH 树。**TLAS（顶层加速结构）**管"实例怎么摆"：节点是每个实例的世界空间包围盒加变换矩阵，本质是一棵以实例为叶子的粗粒度树。遍历时射线先走世界树——大多数盒子很快被裁掉——命中哪个实例，就乘逆变换进它的局部树继续查。更新账本由此重新计价：一百个动画实例的形变，只触发各自 BLAS 的 refit（每棵几万节点的小树），加上 TLAS 的一百个盒子刷新；世界级的 SAH 树则从头到尾不用重见。第 8 章你会看到，DXR 与 Vulkan 光追接口在 API 层面原样暴露这两层，构建 BLAS 与 TLAS 是两个独立操作——届时本节就是那套 API 的设计说明书。

两个实务细节值得预付。其一，BLAS 粒度决定更新成本：把整辆车连人带轮塞进一个 BLAS，车轮旋转就拖累全树 refit；把车轮独立成实例，它只是 TLAS 里一个会动的盒子。粒度切在哪，要按"哪些部件以相同方式运动"来切。其二，混合粒度允许 BLAS 里再嵌实例（引擎实现允许时），场景层级深的项目要警惕嵌套带来的遍历开销与驱动兼容性差异。

实验台：一帧动画的更新预算复盘

把本节内容组装成一个完整复盘。场景：一辆行驶的车（刚体）、一个挥手角色（蒙皮形变，六万三角形）、八千粒子的喷泉（拓扑运动），外加十万平方米静态建筑。第一步做粒度切分：车身、四个车轮、角色、喷泉各自成 BLAS，建筑合成一个静态大 BLAS（构建一次，永不更新）。第二步定更新策略：车轮四个矩阵每帧刷新，成本约等于零；角色 BLAS 每帧 refit（约十五万节点，实测零点几毫秒量级），每三十帧在空闲时段做一次局部 rebuild 防质量滑坡；喷泉放弃树结构，降级为面向相机的公告板网格进静态 BLAS——粒子级精确求交的收益撑不起它的 rebuild 账单。第三步算总账：每帧加速结构维护总预算压进一毫秒上下，剩下的预算留给遍历与着色。解读关键在于那笔"降级"：动态加速的功力不在让一切都精确，而在把精确度当预算花。变式：若角色换成八帧一次的预制动画，可预构建八套 BLAS 按帧切换，refit 也省了——用内存换时间，静态与动态之间又多了一档选择。

实例变换的数学：进局部空间要带的三件行李

双层结构里最容易埋雷的是那次坐标变换。射线命中 TLAS 的实例盒后，要乘实例的逆矩阵进入局部空间再走 BLAS——行李必须带全三件。第一件是逆矩阵本身：把射线的起点与方向变换到局部空间，方向变换后不再归一化没关系，但 t 的语义随之变成"缩放后的参数距离"，出来时要按雅可比换算回世界距离，漏掉这步的渲染器症状是"实例物体命中的阴影与反射深度忽深忽浅"。第二件是逆转置矩阵：法线不能跟方向用同一个矩阵，非均匀缩放下用错矩阵，法线会歪出表面，光照随即错位——第 3 章埋的法线双轨制，在这一步兑现。第三件是变换的更新时间戳：实例矩阵被动画改写后，命中记录里缓存的世界空间信息（比如上一帧的命中位置）必须作废，否则运动物体身后会拖出鬼影。

顺带回答一个高频疑问：为什么不让 TLAS 直接存世界空间的三角形，一层了事？答案是更新账单。百万三角形每帧动几个实例，世界空间树要全部重建；双层结构下只有动过的实例才需要重新装配，静态几何的大树纹丝不动。层的价值不在遍历快那一点，而在把"变化的传播范围"关进最小房间——这条设计律在第 9 章软件架构里还会以别的名字出现。

再补一个十分钟动手校验：造一个只有两个实例的微型场景（一个静态大盒子、一颗绕原点旋转的小球），分别用"全局单树每帧重建"与"双层结构每帧只刷 TLAS"两种方案计时。盒子只有几十个三角形时两者差距不明显；把盒子换成二十万三角形的大厅，单树方案的帧时间随静态几何规模线性恶化，双层方案几乎纹丝不动——双层的收益随静态场景规模放大，这正是开放世界必须双层的原因。顺手记一个实现细节：TLAS 的实例盒要在世界空间下略微外扩（按速度或运动模糊余量），否则高速物体的反射会在帧间出现边缘破洞；这个余量没有公式，开运动模糊的镜头要留得更足，视觉验收时专门盯快速横移物体的边缘。预算再紧也要给这个余量留一个专门验收项，它是双层结构少数几个纯经验参数之一。另外，外扩只作用于 TLAS 盒，BLAS 的局部盒不必跟风——两层各管各的保守度，混在一起会无谓放大遍历量。

本节要点回顾

• 运动分三类：刚体只动矩阵、形变配 refit、拓扑只能 rebuild——先分类再谈优化。
• Refit 快而会退化，rebuild 准而昂贵，折中方案是定期重建加每帧重盒、或按子树局部重建。
• TLAS 管实例摆放、BLAS 管几何内部，双层让动画成本与场景总规模解耦；API 层面正是 DXR 与 Vulkan 的两层构建。
• BLAS 粒度按运动方式切：独立运动的部件独立成实例，别让一个车轮拖累整棵车树。
• 降级也是策略：粒子级精确求交常常不值得它的账单，公告板与简化几何是正当选择。

树的学问到此完整：建得快、走得快、动得起。接下来该回答"撞上之后光怎么改道"——下一章进入材质与 BSDF，实验室从钳工台转向光学台。