7.1 光线追踪

7.1 光线追踪

本节摘要：Vulkan 的光追由加速结构、光追管线与回调表三件套组成：几何压进两级 BVH，管线带三族新着色器，回调表决定射线命中后调用谁。本节按「构建、装配、发射」的顺序走通最小链路，并交代混合渲染下的同步要点与工程代价。

「Ray tracing」在图形行话里专指硬光追——由硬件求交单元执行、按射线逐次调度的可见性计算。它与离线渲染里的路径追踪是同源思想在实时层的实现；本节聚焦 Vulkan 的硬件光追接口：2018 年由厂商扩展起步（NV、AMD 各自为政），2020 年统一为 VK_KHR_ray_tracing_pipeline 与 VK_KHR_acceleration_structure，2022 年起新增了内存需求查询等维护性修订。

一、加速结构：把场景压进 BVH

加速结构（acceleration structure）是把几何组织成层次包围盒的数据结构，分两级：底层（BLAS）装一个网格资产的三角形与变换；顶层（TLAS）装实例（引用底层加各自的变换矩阵）。两级划分的意义是更新成本分层——角色动了只重建（更新）顶层，几何本身不动就不碰底层。

// 底层：先查内存需求（两段式查询，构建与更新所需可能不同）
VkAccelerationStructureGeometryKHR geom = {VK_STRUCTURE_TYPE_ACCELERATION_STRUCTURE_GEOMETRY_KHR};
geom.geometryType       = VK_GEOMETRY_TYPE_TRIANGLES_KHR;
geom.geometry.triangles = triData;      // 顶点与索引的设备地址（需 SHADER_DEVICE_ADDRESS 用法）

VkAccelerationStructureBuildGeometryInfoKHR build = {VK_STRUCTURE_TYPE_ACCELERATION_STRUCTURE_BUILD_GEOMETRY_INFO_KHR};
build.type   = VK_ACCELERATION_STRUCTURE_TYPE_BOTTOM_LEVEL_KHR;
build.mode   = VK_BUILD_ACCELERATION_STRUCTURE_MODE_BUILD_KHR;
build.pGeometries = &geom;
build.geometryCount = 1;

VkAccelerationStructureBuildSizesInfoKHR sizes = {VK_STRUCTURE_TYPE_ACCELERATION_STRUCTURE_BUILD_SIZES_INFO_KHR};
vkGetAccelerationStructureBuildSizesKHR(device, VK_ACCELERATION_STRUCTURE_BUILD_TYPE_DEVICE_KHR,
                                        &build, &primCount, &sizes);
// 据此分配结果缓冲与 scratch 缓冲，再用 vkCmdBuildAccelerationStructuresKHR 构建
​

注意三个细节：几何数据以设备地址引用（缓冲要开 SHADER_DEVICE_ADDRESS 用法位，3.2 的表格里埋过伏笔）；构建分两步——先查尺寸再分配后构建，尺寸查询以最大图元数为准一次到位；scratch 是构建用的临时工作区，多级结构间可复用以省显存。

二、光追管线与回调表

光追管线的着色器分三族：射线生成（raygen，每像素或每tile发射的起点）、命中组（closest-hit、any-hit，命中后着色或做透明处理）、未命中（miss，打到天光或背景）。另有可调用着色器与相交着色器用于解析几何。装配入口是 vkCreateRayTracingPipelinesKHR，结构与图形管线类似但状态简单得多。

与图形管线对照着记：光追管线没有顶点输入、没有光栅化状态，取而代之的是最大递归深度声明与回调表布局的约束；着色器之间传递数据靠 rays 载荷结构（每条射线一份），而不是插值的 varying。首次装配建议从「一条主射线加最近命中」的最小集开始，跑通后再逐层加透明处理与二次弹射——管线族的每员都参与回调表布局，一次到位式的开发调试成本极高。

图 7-1：光追管线与回调表的装配关系

放到整章视角看：光追管线没有顶点输入、没有光栅化状态，取而代之的是最大递归深度声明与回调表布局的约束；着色器之间传递数据靠射线载荷结构（每条射线一份），而不是插值的 varying。首次装配建议从「一条主射线加最近命中」的最小集开始，跑通后再逐层加透明处理与二次弹射——管线族的每员都参与回调表布局，一次到位式的开发调试成本极高。

回调表（shader binding table，业内口语 SBT）是光追最特别的手续：一块缓冲，按「射线生成、命中、未命中」分区，每条记录写着色器句柄加自定义数据。射线的调用路径由它定义——发射时给射线生成区的偏移，命中时按几何与实例携带的索引跳进命中区。SPIR-V 侧用 shaderRecord 布局读取自定义数据（材质索引等）。

// 发射（在命令缓冲内，通常位于计算或图形通道之后）
vkCmdBindRayTracingPipelineKHR(cmd, rtPipeline);
vkCmdTraceRaysKHR(cmd,
    &raygenRegion, &missRegion, &hitRegion, &callRegion,
    width, height, 1);
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回调表的装配有三个工程细节。条目对齐：每个记录的地址对齐按 shaderGroupHandleAlignment 查询（常见 32 或 64 字节），句柄尺寸由 vkGetRayTracingShaderGroupHandlesKHR 给出，手动拼表时对齐算错是最常见的崩点。分区基址：四个区各自有基址与步长，把命中区步长设为「命中组记录大小」而未对齐，会随机读到下一组的句柄。实例携带索引：TLAS 实例与底层几何各带一组命中索引，与回调表的命中区布局要成对设计——材质数量变化时改表的往往是索引方案而非表本体，这是 SBT 设计里最值得先画草图的部分。

三、混合渲染与同步要点

多数项目不用纯光追管线渲染整帧，而是「光栅化主帧加光追特效（阴影、反射、全局光照探针）」的混合架构。同步上多出两类手续：其一，追踪命令消费 G 值缓冲（位置、法线），光栅段写入与光追段读取之间要屏障连线（第 6 章的合同照填）；其二，加速结构的更新（TLAS 每帧重建很常见）与追踪命令之间是设备侧依赖，用屏障的 ACCELERATION_STRUCTURE_READ/WRITE 访问位声明——这是光追特有的访问类别。

调试增益也不该漏掉：光追管线支持与图形管线同源的调试命名（第 8 章），但 RenderDoc 对光追的支持在捕获粒度上有限，实践里更依赖验证层加自定义可视化（把射线命中深度可视化成颜色是排错利器）。

四、案例：预览级光追的接入评估

背景：场景编辑器想加光追预览（软阴影与镜面反射），要求在中端独显上实时，且低端设备不能崩溃。

操作：评估先行。能力探测覆盖光追管线、加速结构、管级缓冲地址三个扩展及其特性位，不齐的设备走分级方案。工程上按最小链路接入：场景网格按静态与动态分池建底层（静态构建一次，动态每帧更新顶层），射线生成着色器对每个像素发一条主射线求最近命中，命中后查软阴影与一次镜面弹射；效果分辨率减半再上采样。同步按混合架构手续办理，G 值与加速结构屏障齐备。

结果：中端卡上半分辨率效果稳定跑进帧预算；无光追能力的设备自动落在「光栅化近似」档位，编辑器三种画质档位覆盖全硬件。接入总工时约三周，其中调试与同步占三分之一。

解读：这个案例的可行性与两个判断直接相关：效果定位在「预览」而非「电影级」（射线数极省），几何规模是编辑器级而非开放世界级（顶层重建便宜）。光追的成本模型以「每像素射线数乘场景遍历成本」为纲，评估先算这笔账再写代码。

变式：用计算管线加 VK_KHR_ray_query（查询式光追）能以更低侵入实现同一效果——不建光追管线，在现有着色器里发起查询。代价是错过硬件调度的部分收益，好处是着色器架构不变。两者共享加速结构，切换成本不高。

五、要点回顾

• 三件套结构：两级加速结构管几何、光追管线管着色器族、回调表管调用路径。
• 两段式构建：先查尺寸再分配构建，scratch 可复用，顶层每帧更新是常态。
• 混合架构的手续：G 值与加速结构两类屏障，访问位有光追专有类别。
• 成本模型先行：射线数乘遍历成本定可行性，效果档位与分辨率是第一杠杆。
• 查询式替代：ray_query 让现有管线低成本获得求交能力，与管线式共享加速结构。