7.1 实时预算下的采样优化

7.1 实时预算下的采样优化

离线渲染器的哲学是"样本不够就等"，实时管线的哲学必须是"样本不够就借"——借上一帧、借邻居像素、借分辨率。本节先解剖一帧的完整时间账本，让"穷"有具体的数字，再依次介绍三件借力武器：半分辨率追踪、全屏导引重建、时序复用。读完本节，你应当能对自己项目的帧预算做一次有依据的排兵布阵，而不是凭感觉砍效果。

先算账：16.67 毫秒都去哪了

以 60 帧每秒为目标，一帧总预算 16.67 毫秒，而这笔钱要在光栅化主场景、阴影贴图、后处理、游戏逻辑、界面渲染之间先分一轮——实时光追通常只能分到 2 到 5 毫秒。这笔小钱内部再分：射线生成与包围盒遍历（求交）通常吃掉光追预算的一半上下，着色与降噪分食剩余。账本读出三个设计推论。其一，求交是主粮：一切优化先问"省了多少次遍历"，而不是"省了多少算术"。其二，样本极度稀缺：光追预算只够每像素每效果一条射线，第 6 章动辄数百样本的收敛 luxury 不复存在——这就是降噪器成为标配的原因，7.2 整节都在接这笔债。其三，分辨率是最大的合法杠杆：射线数正比于像素数，分辨率减半射线省四分之三，比任何算法微优化都狠。

图：一帧 16.67 毫秒的预算解剖

半分辨率追踪：最划算的一刀

第一件武器最朴素：把光追效果（尤其反射与 GI）在四分之一分辨率上计算，再用深度导引的上采样放大回全屏——深度相近的邻居像素共享同一份光追结果，边缘由 G-buffer 的深度与法线导引防串色。省下的预算可以买"每像素两条射线"或"再算一个效果"。它不是无脑降质：光照信号本身低频（间接光尤甚），四分之一分辨率承载它绰绰有余；真正高频的是几何边缘，而边缘信息 G-buffer 里本来就有全分辨率版本——让光追只管"光"，几何细节交还给光栅化，各取所长。

时序复用：上一帧是免费的多余样本

第三件武器是实时管线最重要的发明：时序复用。思路直译自蒙特卡洛——6.1 的收敛定律说样本越多噪声越低，而游戏有连续帧，上一帧的场景与当前帧九成相同，凭什么都丢？把上一帧的颜色沿运动矢量重投影到当前像素，当作额外的历史样本与当前帧样本加权融合，有效样本数瞬间从 1 变成 8、16 甚至更多，噪声大幅退场。完整协议有四步，缺一不可：

1. 运动矢量：每个像素记录"它在上一帧的位置"
   （相机运动 + 物体运动，缺一会有拖尾）
2. 重投影：读取上一帧历史缓存时按运动矢量取值
3. 有效性验证：历史值的深度、法线、物体ID 与当前帧比对
   不一致（被遮挡暴露 / 物体移动）则弃用历史或降低其权重
4. 应急策略：暴露区域历史全弃，回退到当前帧样本加空域滤波
   权重上限防"无限历史"导致的拖尾
​

这套协议解释了实时光追画面的多数诡异现象：拖尾来自运动矢量缺失或权重无限累积，重影来自有效性验证失守，边缘闪烁来自暴露区域的应急切换。协议的另一面是精度红利——时序复用不仅降噪，配合方差的历史估计还能反过来指导 7.2 的滤波强度：历史方差大的区域多滤，稳定区域少滤。

实验台：给一面镜子排预算

完整案例。需求：赛博朋克街景，雨后地面要长距离反射，霓虹灯牌密集，目标 60 帧。第一步列效果与成本：地面反射（大头）、霓虹阴影质量、角色 GI 增益。第二步按账本排兵：反射走半分辨率追踪加时序复用（有效样本从 1 抬到约 12，噪声入不了眼），预算 1.8 毫秒；阴影射线只对主光源发射且加距离截断，0.6 毫秒；GI 放弃全屏追踪，改用 7.3 的探针网格提供间接光，光追只负责探针的辐照度采样，0.5 毫秒；合计约 3 毫秒，留出降噪的 1.5 毫秒。第三步验收与调参：转角快速平移镜头时地面反射出现半透明拖尾——判定为时序复用暴露权重过高，把历史权重上限从 0.9 降到 0.8 并收紧深度验证阈值，拖尾消失、静态画面噪声增幅可接受。解读：预算案不是一次写死的，验收回路的"症状到参数"翻译能力才是实时光追工程师的核心手艺——下一节就是这门手艺的专修课。变式：若目标平台砍掉硬件光追，反射降级为屏幕空间方案，阴影回退阴影贴图，账本整个重排——这正是 7.3 方案货架存在的意义。

一张射线配方表：每像素预算怎么拆

前半节的三大武器——降分辨率、降射线数、时序复用——要拧成统一的预算案才算工具箱成型。落地形态是一张"每效果配方表"，先给 60 帧旗舰档的参考值：

配方的读法比数值重要。反射宁要半分辨率全样本、不要全分辨率半样本——同样射线总数，摊到四分之一像素面积后时序累计补得回来；漫反射全局光照天生低频，四分之一分辨率是行业默认；接触硬阴影贴着几何边缘，降分辨率会让阴影线抖动，通常保全分辨率。透明一行值得展开：光追处理无序透明是强项，成本随透明层数线性涨，配方给它单列预算并做厚度截断（超过三层改近似合成），防止粒子密集帧把预算炸穿。表是起点不是终点：真正的调法是开着每效果射线计数器跑主城、室内、最终决战三个极端场景，把最差场景压进预算，再回头把省下的额度还给画质。

再算一笔有效样本的账，说明时序复用为什么是杠杆之王。每像素每帧一条射线、历史权重 0.9 时，稳态有效样本约 10；把射线数翻倍，有效样本约 20，代价是实打实的求交毫秒；把历史权重从 0.9 提到 0.95，有效样本同样逼近 20，代价是拖尾风险与零毫秒成本。先拧免费旋钮、再花真钱——预算案的总原则与性能优化"先算法后微调"的次序完全同构。

配方表还有一层进阶玩法：按镜头内容动态改配方。水面特写帧临时把反射提到全分辨率，洞穴场景把预算让给漫反射全局光照；射线预算从静态配置变成随内容流动的资源。这是第 9 章任务图调度思想的预告——预算分配本身也该是一个动态系统。

配方表落地还差最后一块：验收指标。射线数与分辨率是投入侧，产出侧要看"有效样本数"与"噪声可见度"两条曲线——把每档配方的两条曲线画出来，预算会在哪崩一目了然。常见误区是只盯帧时间不看产出：帧时间达标但有效样本数塌方，等于省了钱买了假货。投入产出对着看，预算案才算闭环。一条留白提醒：配方表是团队资产不是个人记忆，把它连同硬件平台、驱动版本、场景名一起存档，硬件换代时旧表还能告诉你哪一档变了、变了多少——没有基线的调优，每次都从零吵架。文档化的另一面是可回滚：每个配方存成独立预设，线上出问题一键退回上一档。

本节要点回顾

• 16.67 毫秒是全管线的钱，光追通常只有 2 到 5 毫秒，其中求交吃掉一半上下——优化先省遍历。
• 半分辨率是最大合法杠杆：光追管低频光照，几何边缘交还 G-buffer，四分之一分辨率常是净赚。
• 时序复用四步协议：运动矢量、重投影、有效性验证、暴露应急——缺一步就是一种画面疾病。
• 有效样本数是实时管线的核心指标：从 1 借到 12，降噪负担立减；借不来就得靠 7.2 的滤波。
• 预算案必须配验收回路：画面症状翻译回参数修正，是实时工程师的日常。

账算清了、样本借来了，剩下的问题是如何把每像素一条射线的糙结果修饰成能看的画面——下一节进入降噪器的内部。