[论文解读] RTSDF: Generating Signed Distance Fields in Real Time for Soft Shadow Rendering

Yu Wei Tan, Nicholas Chua+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Computer Graphics and Visualization Techniques被引用 1

一句话总结

本文提出RTSDF，一种通过结合跳跃填充法进行粗略SDF近似、针对性光线追踪与时间累积，实现实时生成有符号距离场（SDF）并生成高质量柔光阴影的实时方法。该技术在保持交互帧率的同时，显著提升了阴影的半影效果并减少了块状伪影，其阴影质量优于传统CSM结合EVSM的方案，同时保持了高性能。

ABSTRACT

Signed Distance Fields (SDFs) for surface representation are commonly generated offline and subsequently loaded into interactive applications like games. Since they are not updated every frame, they only provide a rigid surface representation. While there are methods to generate them quickly on GPU, the efficiency of these approaches is limited at high resolutions. This paper showcases a novel technique that combines jump flooding and ray tracing to generate approximate SDFs in real-time for soft shadow approximation, achieving prominent shadow penumbras while maintaining interactive frame rates.

研究动机与目标

• 为解决离线SDF生成在交互式应用中的局限性，实现实时SDF计算。
• 通过选择性高分辨率光线追踪，克服标准跳跃填充在SDF中产生的块状表面伪影。
• 在保持交互性能的同时，实现具有显著半影的高质量柔光阴影。
• 通过时间累积与光线追踪优化，减少基于SDF的柔光阴影渲染中的伪影（如鬼影与条带效应）。

提出的方法

• 通过沿x、y、z轴的正交投影生成的体素化场景数据，使用3D跳跃填充生成粗略SDF。
• 通过光栅化管线更新体素，禁用深度测试以确保所有图元均对SDF有贡献。
• 在更高分辨率下初始化精细SDF，仅对距离粗略SDF表面d范围内的纹素进行光线追踪以保证精度。
• 光线追踪从每个纹素的世界位置出发，使用随机方向，将各射线的最小距离随时间累积。
• 通过衰减因子α应用时间累积，以减少运动物体上的鬼影伪影，将前一帧数据与当前光线追踪结果结合。
• 最终SDF根据面命中率（正面 vs. 背面）进行符号化处理，柔光阴影通过带抖动起始点与步长限制的光线追踪算法生成，以减少条带效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合跳跃填充与光线追踪的混合方法是否能够实现实时柔光阴影渲染所需的足够精度SDF生成？
• RQ2 时间累积与选择性光线追踪如何减少动态场景中鬼影与条带等伪影？
• RQ3 在调节光线追踪距离阈值d时，性能与SDF精度之间存在何种权衡？
• RQ4 与CSM结合EVSM滤波相比，该方法在半影质量方面提升了多少？
• RQ5 低分辨率体素与最小光线追踪步长如何影响细薄表面的渲染及阴影 Umbra 效果？

主要发现

• 在GeForce RTX 2080 Ti上，该方法实现97 fps的柔光阴影渲染帧率，视觉质量优于CSM结合EVSM（113 fps）的方案。
• 通过衰减因子α的时间累积有效减少了运动物体上的鬼影伪影，通过融合前一帧与当前帧数据实现平滑过渡。
• 基于粗略SDF接近度的选择性光线追踪仅在必要区域实现高精度，从而在保持实时性能的同时提升准确性。
• 通过连接当前与前一帧光线追踪采样点的三角剖分，以及限制最大步长，有效缓解了阴影半影中的条带伪影。
• 由于最小光线追踪步长与体素化间隙，细薄表面在阴影Umbra区域仍存在孔洞，表明此类区域需结合混合阴影映射技术。
• 通过结合低成本粗略SDF与针对性高精度光线追踪，该方法生成的表面比纯跳跃填充更平滑、块状伪影更少。