虚幻5路径追踪渲染器（PT和DF的效果差别与PT速度性能）-李文磊-技术分享笔记

文章目录

• 前言
• PT与DF的效果差别与对齐
• • 一、直接光
  • [二、 间接光](#二、 间接光)
  • 三、天光和天空
  • 四、雾，体积雾，体积光
  • 五、材质
  • 六、粒子
  • [七、Denoise 降噪](#七、Denoise 降噪)
  • 八、后期
  • 九、其他
• 对PT速度的影响因素
• 比较分层PT和全部DF的速度差别

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前言

• 视频链接：
  [技术专题]聊聊虚幻5路径追踪渲染器 | EpicGames 李文磊

• 介绍：

  UE5.5版本路径追踪渲染器已经成熟，无论功能支持，稳定性和效果和效率都已经比较可靠可以用于产品的制作。今天和大家一起聊聊，内容主要讨论延迟渲染和路径追踪之间的效果差别有哪些，如何尽量统一效果，以及使用上如何对路径追踪效果及效率的提升。

• 延迟渲染和路径追踪效果区别（左延迟，右pt）：主要是眼神光细节、眉毛胡子gi、双眼皮褶皱、面部光影等提升质感的细节区别

• 效率区别：

  比渲染速度当然是延迟渲染更快，但是延迟渲染如果结合高品质时域空间抗锯齿、再使用多层遮罩深度等，效率就极大的被影响，一旦流程复杂就会有效率瓶颈；而pt的效率可以通过合理使用来提升，比如混合pt与df、参数设置等。

• 内容制作流程：调整df匹配pt，尽量靠近pt

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PT与DF的效果差别与对齐

一、直接光

1. 直接光面光源的高光/反射遮蔽不同，PT的更加精准
   • DF有时有大面积漏光（比如在复杂窗子外边用面光源模拟天光），如图左，因为Lumen里无法被lumenscene遮挡，并且暂时难以规避
   • 如果面光源面积大，那在df里的RTS半影会被遮挡，使面光本身显得更暗一些（不算bug，只算局限，制作上也难以避免）

2. PT不支持面光源柔化参数：如图左给df点光源增加soft angle/radius参数，但pt不支持；但pt可以在制作上避免，比如使用矩形面光，但是增加贴图控制光源柔和程度
3. PT有更精准的Nanite光追阴影：在DF的Nanite模式下，渲染模型和投影模型有一定差别（开启r.raytracing.nanite.mode会好一些，但离远了还是有问题），pt的阴影精度高很多；为了解决可以在df下使用vsm虚拟阴影贴图制作阴影。

4. PT默认开启transmission效果，而df还需要在灯光中进行设置；比如树叶、皮肤、双面材质等情况
5. PT开启灯光颜色功能设置：r.PAthTracing.LightFunctionColor 1；df开启需配置r.LightFunctionAtlas.Format 1，并重启。

6. PT不支持直接光的Light Shaft（也叫God ray\Light beam，丁达尔光？），在df中通过后处理效果实现，参数很多是非物理来模拟的。如果要统一两边效果，建议使用体积光结合投影实现

二、 间接光

1. DF下umen GI的间接光比PT暗一些：如果要提升Lumen的亮度，可以调节间接光强度（pt无效）、后期Diffuse Color Boost、或者把GI的mode从surface cache改为hit lighting。

2. Lumen对动态对象的局限，动态对象不会生成surface cache，因此无法贡献gi和反射，使用hit lighting搭配屏幕空间反射可以减少差距，但动态物体离开屏幕时还是不行，不如pt的二次反射效果好。
3. Lumen对复杂材质BSDF、BTDF的反射和gi表现不足，需要用hit lighting搭配材质中Raytracing quality Switch节点尽量接近

4. Lumen屏幕空间效果有时保真度不足，由于ScreenTrace的反射高光有方向性，摄像机角度肯呢个看不到，这时候关闭ScreenTrace并且调高反射Bounce次数可以使效果更真实。

5. PT中Decal有反射但不贡献GI，，Lumen里也只支持ScreenTrace。因此应该尽量避免使用自发光Decal，如果非要使用，可以用一个正常材质+ 隐藏模型和其阴影的方式来缓解，让它贡献gi（不推荐），又或者直接不用Decal做这种事。

• Lumen对齐PT时在间接光上的设置：
  1. 项目设置使用HWRT（硬件光追），GI和反射开启hit lighting
  2. 关闭ScreenTrace的GI和反射（有时与hit lighting冲突）
  3. 反弹次数需要3
  4. Lumen Reflection Max Roughness 设置为1
  5. Diffuse Color Boost设置为1-2提高gi亮度（可选）

三、天光和天空

• 天光有重点采样（重要性采样？）优化，因此最好使用天光而不是自发光的天空球

• 天光设置参考

  1. 用Skylight Realtime Capture，包括Sky dome、Sky atmosphere、Fog和Cloud
  2. 使用自定义HDRI作为Skylight照明，并且关闭Affect Dynamic Indirect Lighting避免双重照明
  3. 谨慎使用Reference Atmosphere，会使很多功能失效，还需要特殊配置
  4. 材质中的is Skylight：开启后不不渲染自身、不贡献gi、可以被天光捕获；

• DF有精度限制，如果天空有特别亮的像素时会有损失，如下图。因此在LookDev下做有方向性的光时，最好用直接光
  

四、雾，体积雾，体积光

1. PT雾需要使用体积雾，精度高，并且雾效会受光源radius影响（右图），df下取决于tex精度，并且使用时序历史帧的数据因此会有抖动的情况（左图）。

2. Exponential fog（高度雾）的Falloff的参数不物理，因此pt和df很难效果统一。如果体积雾距离数值大能相对接近一些。
   

3. Lumen对体积光反射有局限，默认不反射雾气，设置r.Lumen.SampleFog 可以有一点点效果，但与pt差别大
   
   

4. PT中带颜色贴图的面光源会影响和体现到体积雾上，但df不会（上图）。如果设置r.VolumetricFog.RectLightTexture 为1，则df可以有一定程度的颜色影响，但效果与pt不一样；如果再设置r.VolumetricFog.InjectRaytracedLights 1，两边效果会相对一致。（下图）

5. PT的Fog不支持lighting channel，所有channel总是工作；而df中也只支持channel 0。

6. 如果使用Reference Atmosphere，pt的Volumetric Fog也可以支持；但不支持新功能LocalFogVolume（用来在某些无法使用体积雾的设备上产生局部雾的功能）

五、材质

1. 头发着色模型：主要区别是对散射的支持，df下不支持真实散射功能，（散射让头发更加通透自然，在只有间接光情况下差别明显）；

2. 头发：在Groom下，df支持的input有BaseColor\Specular\Roughness\Tangent\Backlit，而PT不支持其中的Tangent和Backlit；在Card头发下，df支持的input有BaseColor\Scatter\Specular\Roughness\Tangent，PT不支持Tangent
   

3. PT默认支持皮肤Transimission，效果比较好；df需要单独在灯光设置中开启，但效果相差明显（右边PT），甚至不好看，所以有时还会专门关掉此功能

4. PT不支持Volumetric Fog 材质（在开发计划中）

5. PT可以自动计算半透折射（需要开启Refraction）、厚度（有厚度用Asorption Medium-吸收介质 节点来染色；没有厚度用Thin Translucent）、焦散，(设置r.PathTracing.ApproximateCaustics 0质量更高)等效果。DF有很大差别，可以对比文档查看。

6. PT尚不支持Pixel Depth Offset。所以尽量使用Nanite高精度模型，来适应两个模型穿插时需要的丰富细节；并且因此PT也只能用Groom

7. PT中WPO（世界位置偏移，vs里实现）默认不起效，需要开启Enable WPO in Raytracing(PT)；并且材质动画在pt里会有残影的情况，需要关掉r.Test.OverrideTimeMaterialExpressions停掉材质动画效果，避免运动模糊
   
   

8. Lumen在硬件光追中不支持材质使用DDX、DDY节点，因此会在Hitlighting中的LumenScene中有异常，如上图左。比如上图图左材质使用了HeightToNormalSmooth节点，里边用到了DDX和DDY，效果就有问题，如果替换成RayTracingQualitySwitchReplace节点，效果就会好些，变成下图图左。

9. 目前PT还不支持Nanite Tessellation

六、粒子

• Niagara Fluids在PT下精度不够高，会有马赛克问题，这是因为r.HeterogeneousVolumes.FrustumGrid.ShadingRate 默认是4（控制多少像素做一个shading），调成2就好了。另外两个相关参数是r.HeterogeneousVolumes.FrustumGrid.MaxBottomLevelMemoryInMegabytes 512，和r.PathTracing.MaxRaymarchSteps 1024.

七、Denoise 降噪

• 视口降噪方式切换参数r.PathTracing.SpatialDenoiser.Type，其中0是使用openImage的Denoise，表现柔和、降噪力度强大、但会失去一些细节（上图右）；1是NVIDIA的optiXDenoise，细节保留比较多（上图左）

八、后期

1. PT中需要关闭自动曝光，因为自动曝光在输出的时候需要预热时间使曝光正确，PT下渲染慢会有问题
2. PT中没有TSR，df中因为开启了TSR（时序超分）画面会比PT模糊一点
3. motion blur：建议PT使用Reference Motion Blur，这样就不用后期制作MB效果了（但参数Shutter Angle等还是去后期的MB面板上设置）。TemporalAA的数值决定光滑度。
4. PT里的后期无法采样SceneTextures，它有自己一套采样的buffer

九、其他

1. PT中想渲染长条模型的话，需要开启r.PathTracing.Geometry.SplineMeshes 1，其他各种各样的模型设置是否能在PT中渲染也是类似
2. PT中不支持世界分区的HLOD，因此不会渲染，也不会反应在其他反射中。（影视渲染要避免使用HLOD）

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对PT速度的影响因素

• PT基本工作原理：Importance sampling、反弹次数、Sample数量、逃逸

  Path Tracing是Raytracing的一种，但使用了一些优化采样算法，可以使用更少的射线产生比较好的效果。基本原理是从摄像机发射射线，反向对每个像素进行信息追踪，射线经过一定次数反弹直到追到光源或者逃逸。最后用收集到的信息进行着色。每个像素有多次射线（SPP），路径有一定随机性（根据材质属性和灯光信息会对方向有指向），着色使用结果的平均值。

• MRO输出的Reference Motion Blur必须开，会快很多

• 像素数量包含分辨率和分层的像素（局部PT），renderLayer数量也影响性能

• 光线无法逃逸的环境就慢，比如封闭室内，可以用最大反弹次数限制

• 植被是否Nanite、面数多少、是否WPO对速度影响不大，可以忽略

• Volumetric Fog的浓度越大和可视距离越远 速度越慢，----体积雾可以控制在一定区域内（区域光源的区域雾效）

• Reference Atmosphere和Reference Cloud速度会慢

• 材质影响：

  1. 材质BaseColor越亮就越慢（尽量不要接近1），因为反弹终结需要用到蒙特卡洛方法，但基础色太亮终止的机会就越小。---可以通过降低最大反弹次数缓解，或者材质里单独设置"贡献PT的Albedo"低一点，不贡献的可以高一点
  2. 反射粗糙度越低就越慢（其实就是越反弹越难终止越慢）
  3. 复杂材质慢。比如SSS皮肤、散射的毛发、植被-双面foliage的Subsurface、半透- Color的Transmission

• 灯光影响：

  1. 灯光数量对速度影响不大
  2. 但灯光面积Radius（光源面积）和照明半径越大速度越慢

• Tips：可以使用后处理Volume里的Lighting Component的Toggle 设置来Profile到影响速度的主要因素

比较分层PT和全部DF的速度差别

1. Slay（室外） 4K，64Sample 分两层：全DF 20s；背景DF人物PT 22s；全PT 29s
   这个室外场景方便光线逃逸，并且光源主要是直接光，可以看到局部pt增加的时间并不多；全部pt多9s主要是像素多和体积雾pt不友好等原因

2. ArchViz（室内） 4K，64Sample 分两层：全DF 21s；背景DF人物PT 31s；全PT 34s
   这个室内照明使用pt就会变慢很多，这是因为角色照明主要来自环境GI或者反弹光，即使分层计算也很复杂