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VCTRenderer 动态体素化实战：flag volume 如何实现场景每帧实时更新

news 2026/8/21 18:45:41

VCTRenderer 动态体素化实战：flag volume 如何实现场景每帧实时更新

【免费下载链接】VCTRendererA real time global illumination solution that achieves glossy surfaces, diffuse reflection, specular reflection, ambient occlusion, indirect shadows, soft shadows, emissive materials and 2-bounce GI. Published here http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7833375/项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/vc/VCTRenderer

核心机制速览

VCTRenderer 是一套基于体素锥追踪（Voxel Cone Tracing）的实时全局光照（实时GI）方案，能够呈现光泽表面、漫反射、镜面反射、环境光遮蔽、间接阴影与软阴影等效果。要让这些效果真正"实时"，场景中的动态体素化（每帧更新运动物体的体素数据）是关键难点——而 VCTRenderer 的解法，就是一套精巧的flag volume（静态标记体积）机制。

为什么动态物体是体素化的大麻烦

体素化（Voxelization）的本质，是把场景几何离散成三维网格并写入 3D 纹理。静态场景可以只做一次，但一旦物体开始移动，旧的体素数据就会"残留"在原地，产生错误的间接光照和阴影。

最朴素的想法是"每帧全部重新体素化"，但代价高昂。VCTRenderer 的高明之处在于只更新变化的部分：先为静态几何一次性建立体素，再为动态几何单独做增量更新。而这一切的枢纽，就是staticFlag这张小小的 R8 3D 纹理——flag volume。

flag volume 是什么？一张"体素身份证"

flag volume 是一张与体素网格同分辨率的 3D 纹理，每个体素记录一个字节（R8）：

值为1：该体素被静态几何占据；
值为0：该体素当前由动态物体占据，或为空。

它在VoxelizerRenderer::SetupVoxelVolumes()中被创建，并采用Nearest过滤、ClampToEdge环绕，专为读写标记而设计。核心渲染器源码位于engine/assets/code/renderers/voxelizer_renderer.cpp。

两步体素化：静态与动态各司其职

VCTRenderer 将场景几何按Node::GeometryState分为Static与Dynamic两类（见engine/scene/node.h），体素化因此拆成两个 pass：

第一步：静态场景体素化 + 写 flag

VoxelizeStaticScene()执行时，体素化片元着色器收到flagStaticVoxels = 1的 uniform。在voxelization.frag中，每写入一个体素就同步执行：

if (flagStaticVoxels == 1) { imageStore(staticVoxelFlag, position, vec4(1.0)); }

这一趟不仅把静态几何的 albedo、法线、自发光写入体素纹理，还在 flag volume 上"盖章"，标记哪些体素属于静态。

第二步：动态场景体素化 + 读 flag

当物体移动时，VoxelizeDynamicScene()以flagStaticVoxels = 0运行，只通过DrawListState(Node::Dynamic)绘制动态节点。此时片元着色器先查 flag：

if (flagStaticVoxels == 0) { bool isStatic = imageLoad(staticVoxelFlag, position).r > 0.0f; if (isStatic) opacity = 0.0f; // 静态体素，取消写入 }

动态几何在写入时自动避开静态体素，避免覆盖已标记的数据。

动态体素的"清理-重写"循环

动态物体移动后，旧位置的体素必须清除。这一步由计算着色器clear_dynamic.comp完成，其逻辑极其简洁：

体素为空（alpha 接近 0）→ 跳过；
体素被 flag 标记为静态 → 跳过；
其余（即"动态体素"）→ 清空 albedo、normal、emissive 三张纹理。

这就是ClearDynamicVoxels()所做的工作。清除之后，再以当前变换重新体素化动态节点，实现"旧数据擦除、新数据写入"的完整闭环。相关着色器源码位于engine/assets/shaders/clear_dynamic.comp与engine/assets/shaders/voxelization.frag。

更新频率：按需触发还是每 N 帧刷新

光有机制还不够，更新策略同样讲究。VCTRenderer 通过framestep提供两种模式（由VoxelizerRenderer::SetUpdateFrequency()控制）：

按需更新（framestep = -1）：遍历Transform::TransformChangedMap()，只有检测到节点变换发生变化时才重新体素化动态场景；若只是光源变化，则只更新 radiance，成本更低。
定时刷新（framestep >= 1）：每隔 N 帧强制执行一次动态体素化，适合持续运动的场景。

在运行时，你可以在 Voxelization 面板中通过 "Update When Needed" 与 "Update Frequency" 两个选项实时切换，界面代码位于engine/assets/code/interfaces/voxelization_options.cpp。