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【Virtual Globe 渲染技术笔记】7 GPU 光线投射

news 2025/8/18 10:00:47

GPU 光线投射（GPU Ray Casting）

GPU 专为光栅化三角形而设计，速度极快。
传统椭球渲染流程是：

用细分算法生成大量三角形
GPU 并行光栅化
着色器计算颜色

这套流程虽然高效，但仍存在固有问题：

任何细分都不是完美的，各有优劣；
细分过粗 → 曲面失真；过细 → 性能/内存开销大，需要复杂的视点相关 LOD；
现代 GPU 算力增长远超内存带宽，频繁向总线发送大量三角形会拖慢性能。

光线追踪：另一种思路

光栅化从三角形到像素；
光线追踪从像素出发，逆着视线发射射线，求与物体的交点，再计算光照。

对椭球而言，射线与隐式曲面的交点有解析解，因此无需三角形网格即可渲染。
优势：

无限级细节：放大时不会出现“网格”或“锯齿”曲面；
无拓扑缺陷：没有极区细长三角形、IDL 跨越等问题；
内存极低：只存储椭球参数，无需巨型顶点缓冲。

如何在 GPU 上“光栅化”光线追踪？

现代 GPU 原生支持光栅化，但我们可以“借壳”：

构造椭球的轴对齐包围盒（12 个三角形）。
用光栅管线渲染这个盒子，前向面剔除，保证相机在盒内时仍能看见地球。
片元着色器里，针对每个像素发射射线：
- 起点：相机位置 ce_cameraEye
- 方向：从相机到片元世界坐标 normalize(worldPos - ce_cameraEye)
用解析公式判断射线与椭球是否相交。
- 需要椭球半径 (a,b,c)；
- 为提高效率，CPU 预先计算 1/radii² 作为 uniform 传入。
若相交，计算交点、法线、纹理坐标，用本章前面 LightIntensity() 等函数着色；
若不相交，discard 片元（下图绿色/红色示例）。

完整片元着色器流程

Listing 1 只判断相交，输出纯色。

// List-1 Base GLSL fragment shader for ray casting.
in vec3 worldPosition;
out vec3 fragmentColor;uniform vec3 ce_cameraEye;
uniform vec3 u_globeOneOverRadiiSquared;struct Intersection
{bool Intersects;float Time; // Time of intersection along ray
};Intersection RayIntersectEllipsoid(vec3 rayOrigin, vec3 rayDirection, vec3 oneOverEllipsoidRadiiSquared)
{// ...
}void main()
{vec3 rayDirection = normalize(worldPosition - ce_cameraEye);Intersection i = RayIntersectEllipsoid(ce_cameraEye, rayDirection, u_globeOneOverRadiiSquared);fragmentColor = vec3(i.Intersects ? 1.0 : 0.0, !i.Intersects ? 1.0 : 0.0, 0.0);
}

Listing 2 计算交点位置、法线、纹理坐标，完成光照与纹理。

// List 2 Shading or discarding a fragment based on a ray cast.
vec3 GeodeticSurfaceNormal(vec3 positionOnEllipsoid, vec3 oneOverEllipsoidRadiiSquared)
{return normalize(positionOnEllipsoid * oneOverEllipsoidRadiiSquared);
}void main()
{vec3 rayDirection = normalize(worldPosition - ce_cameraEye);Intersection i = RayIntersectEllipsoid(ce_cameraEye, rayDirection, u_globeOneOverRadiiSquared);if (i.Intersects){vec3 position = ce_cameraEye + (i.Time * rayDirection);vec3 normal = GeodeticSurfaceNormal(position, u_globeOneOverRadiiSquared);vec3 toLight = normalize(ce_cameraLightPosition - position);vec3 toEye = normalize(ce_cameraEye - position);float intensity = LightIntensity(normal, toLight, toEye, ce_diffuseSpecularAmbientShininess);fragmentColor = intensity * texture(ce_texture0, ComputeTextureCoordinates(normal)).rgb;}else{discard;}
}

Listing 3 把交点深度写入 gl_FragDepth，解决深度缓冲区错误问题。

// List 3 Computing depth for a world-space position.
float ComputeWorldPositionDepth(vec3 position)
{vec4 v = ce_modelViewPerspectiveMatrix * vec4(position, 1.0);v.z /= v.w;v.z = (v.z + 1.0) * 0.5;return v.z;
}