实时光线追踪（2）降噪：Nvidia Real-time Denoiser 剖析

目录

Nvidia Real-time Denoisers（NRD） v3.x

版本：NRD v3.4.0

NRD 是工业界内比较先进的降噪器，被实际应用于 Watch Dogs: Legion 和 Cyberpunk 2077 等游戏，然而网上关于 NRD 里降噪技术的具体介绍太少了，于是啃一啃源码，并且总结出了这篇剖析博客。

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图左：输入 1 spp 的 Diffuse 信号和 0.5 spp 的 specular 信号

图右：ReBLUR 降噪后的输出

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图左：输入 1 spp 的 Shadows 信号

图右：SIGMA 降噪后的输出

ReBLUR 前置知识

空间滤波（Spatial Filtering）：Diffuse & Specular

泊松分布样本（poisson samples）

采用泊松分布样本，可以使用更少的样本数：

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自适应半径（adaptive radius）

取决于：

  • accumulated frames 的数量：accumulated frames 越多意味着当前 pixel 的噪声干扰越小（结果更准确），就可以把模糊半径调小

  • hit dist：如果 hit dist 比较长，那么周围的 shading point 大概率也会 hit 到该地方，因此把模糊半径调大

  • 不需要参考时序上或者空间上的 variance

这样就可以让丢失历史信息的 pixel（即 accumulated frames 不多）更多呈现出模糊而不是噪声。

代码：

float GetBlurRadius(
    float radius, float radiusBias, float radiusScale,
    float hitDistFactor, float nonLinearAccumSpeed,
    float roughness = 1.0
)
{
    // Scale down if accumulation goes well, keeping some non-zero scale to avoid under-blurring
    float r = lerp( gMinConvergedStateBaseRadiusScale, 1.0, nonLinearAccumSpeed );
    // Avoid over-blurring on contact ( tests 76, 95, 120 )
    hitDistFactor = lerp( hitDistFactor, 1.0, nonLinearAccumSpeed );
    r *= hitDistFactor; // TODO: reduce influence if reprojection confidence is low?

    // IMPORTANT: do not apply "hitDistFactor" to radiusBias because it is responsible for error compensation
    // Main composition
    r = radius * r + max( radiusBias, 2.0 * roughness ); // TODO: it would be good to get rid of "max"
    r *= radiusScale;
    // Modify by lobe spread
    r *= GetSpecMagicCurve2( roughness ); // TODO: roughness at hit needed
    // Disable spatial filtering if radius is 0
    r *= float( radius != 0 );
    return r; // TODO: if luminance stoppers are used, blur radius should depend less on hitDistFactor
}

效果：

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模糊权重（blur weight）

权重考虑的因素（有些是需要联合考虑的）：

  • geometry ：沿平面方向的距离相差太大，权重调低
  • normal ：法线相差太大，以至于夹角大过 specular lobe 的半角就拒绝该样本
  • hit distance ：hit distance 相差太大，权重调低
  • roughness（仅 specular）：roughness 相差太大，或者 roughness 太小（期望 specular 不那么多模糊），权重调低
  • direction and pdf（可选） ：direction = L，而 NoL 越大，说明这个方向接受的光照越强，越应该参考它，权重调高。但为了能量守恒，必须还得除于一个 pdf。

sampling space & anisotropic sampling

不同的 brdf lobe，应该在不同的 采样空间（sampling space） 进行采样：

  • 对于 specular 物体来说，更应该在 view 为法线的平面中（其实就是传统 screen-space）进行模糊：符合直觉
  • 对于 diffuse 来说，则更需要对以 n 为法线的平面上来进行模糊：在 tangent 平面可以保留更多 glancing angle 下的细节

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为此，可以统一 specular 和 diffuse 的采样平面计算方法：

  • 根据 roughness 来决定采样平面的朝向和半径
  • 在实现中，就是通过算出平面的切线 \(T\) 和副切线 \(B\) 来表示这个平面的朝向和半径

采样平面改进效果：

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此外，只要让采样平面拉伸或斜偏（skew）成类椭圆状，就能实现 各向异性采样（anisotropic sampling）：

切线 \(T\) 和副切线 \(B\) 不是 normalized 的，它们的 length 分别代表了这个椭圆平面的短轴长度和长轴长度。

  • 越接近 glancing angle ，\(T\) 的 length 就会越大
  • roughness 决定了斜偏的程度

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代码（包含采样平面 & anisotropic sampling）：

float2x3 GetKernelBasis( float3 D, float3 N, float NoD, float worldRadius, float roughness = 1.0, float anisoFade = 1.0 )
{
    float3x3 basis = STL::Geometry::GetBasis( N );
    float3 T = basis[ 0 ];
    float3 B = basis[ 1 ];
    if( roughness < 0.95 && NoD < 0.999 )
    {
        float3 R = reflect( -D, N );
        T = normalize( cross( N, R ) );
        B = cross( R, T );
        float skewFactor = lerp( roughness, 1.0, NoD );
        T *= lerp( skewFactor, 1.0, anisoFade );
    }
    T *= worldRadius;
    B *= worldRadius;
    return float2x3( T, B );
}

anisotropic sampling 效果：

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时间滤波（Temporal Filtering）：Diffuse

surface motion

当前帧 pixel \(x\) 进行 back projection 后的位置 \(x_{prev}\)，在大部分情况下都不会刚好处于像素的中心（也就是有一定子像素偏移），这时候就需要通过访问其相邻 4 个 pixels 的属性进行加权混合就能得到 \(x_{prev}\) 对应的属性。

surface motion：这 4 个历史帧的 pixels 相当于组成了一个历史帧 surface，而这些组成 surface 的 pixels 也被称为 footprints。

当前帧没有 surface，因此默认这里出现的 surface 术语都是指历史帧的。

surface 至少需要包含以下信息：

  • previous 4x4 viewZ：实际只会用到 2x2 个
  • previous 2x2 normal
  • previous 2x2 materialID
  • previous 2x2 diffuse accum speed
  • previous 2x2 specular accum speed

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下一步就是需要 计算各 footprint 的权重：

  1. 对每个 footprint 都做了以下一种或两种测试，然后输出自定义权重 smbOcclusion0 ：

    • 遮挡测试（occlusion test）：检查当前的 plane 是否与 previous plane 的距离相差不远

    • ID测试（material ID test）：检查当前的 material id 是否和 previous material ID 一样

    自定义权重的 x,y,z,w 分别代表第 1,2,3,4 个 footprint 是否通过 occlusion test + material id test。

  2. 通过 uv 坐标得到各个 footprint 的双线性插值（bilinear）权重。

    bilinear 权重和自定义权重直接相乘后就能得到各 footprint 的最终权重：

float4 GetBilinearCustomWeights(Bilinear f, float4 customWeights)
{
    float2 oneMinusWeights = 1.0 - f.weights;
    float4 weights = customWeights;
    weights.x *= oneMinusWeights.x * oneMinusWeights.y;
    weights.y *= f.weights.x * oneMinusWeights.y;
    weights.z *= oneMinusWeights.x * f.weights.y;
    weights.w *= f.weights.x * f.weights.y;
    return weights;
}

顺便地，再另外计算一下 \(x_{prev}\) 的 quality（也就是用于衡量这个 surface 有多少参考价值，它决定了 temporal 的历史混合系数）：

quality = 0 为不具有参考性（意味着 4 个 footprints 都没通过 test），quality = 1 为极度具有参考性。

  1. 直接对 smbOcclusion0 应用双线性插值，就能得到 \(x_{prev}\) 的 quality
  2. 顺便用 sqrt01 函数把 quality 往上提一下
float footprintQualityWithMaterialID = STL::Filtering::ApplyBilinearFilter( smbOcclusion0.z, smbOcclusion1.y, smbOcclusion2.y, smbOcclusion3.x, smbBilinearFilter );
footprintQualityWithMaterialID = STL::Math::Sqrt01( footprintQualityWithMaterialID );

历史权重（history weight）

控制 diffuse temporal 混合系数的主要因素：

  • diffAccumSpeed（即 accumulated frames 的数量）
  • footprintQualityWithMaterialID（x_prev 的质量）

接着通过 bilinear custom weights 算出四个 footprint 的权值，就可以加权混合它们的 accum speed 得到 \(x_{prev}\) 的 accum speed：

// 计算出各个 footprint 的最终权值
float4 smbOcclusionWeightsWithMaterialID = STL::Filtering::GetBilinearCustomWeights( smbBilinearFilter, float4( smbOcclusion0.z, smbOcclusion1.y, smbOcclusion2.y, smbOcclusion3.x ) );
....
// AdvanceAccumSpped：加权混合 prevDiffAccumSpeeds 得到 diffAccumSpeed
float diffAccumSpeed = AdvanceAccumSpeed( prevDiffAccumSpeeds, gDiffMaterialMask ? smbOcclusionWeightsWithMaterialID : smbOcclusionWeights );
// 根据 quality 和 diffAccumSpeed，调整 diffAccumSpeed
diffAccumSpeed *= lerp( gDiffMaterialMask ? footprintQualityWithMaterialID : footprintQuality, 1.0, 1.0 / ( 1.0 + diffAccumSpeed ) );

最终，temporal 就是根据 \(x_{prev}\) 的 accum speed（并限制在最多 32 帧）混合，输出结果：

\[\text { Output }=\text { lerp }\left(\text { History }, \text { Input }, \frac{1}{1+A}\right) \]

\(A\) 为 accum speed（accumulated frames）的数量

float diffAccumSpeedNonLinear = 1.0 / ( min( diffAccumSpeed, gMaxAccumulatedFrameNum ) + 1.0 );
ReBLUR_TYPE diffResult = MixHistoryAndCurrent( smbDiffHistory, diff, diffAccumSpeedNonLinear );

此外，源码中还有个 fast history 选项：实际上就是将 accum speed 限制在更少的帧数（fast accum speed），从而历史混合权重更小，滞后效应更小，但可能闪烁严重。

时间滤波（Temporal Filtering）：Specular

surface motion

计算 surface motion 的流程，对于 specular 和 diffuse 来说基本是一样的。

surface motion confidence

但是 surface 对 diffuse 和 sepcular 的参考价值各不同：

  • 对于 diffuse 来说， surface motion 往往就是最具有参考价值的，其具体质量由 footprintQualityWithMaterialID 决定。
  • 对于 specular 来说， surface motion 往往具有更低的参考价值，因为 specular 与很多因素相关，我们还需要除了 footprintQualityWithMaterialID 以外的其它衡量因素，如: parallax, nov, roughness（这些因素的可以合称为 surface motion confidence）

parallax ：定义为新观察方向 \(V\) 与旧观察方向 \(V_{prev}\) 的偏差。

在观察的物体不移动旋转的情况下，如果 camera 不移动而只是旋转，那么 parallax = 0，此时直接的 back projection 是不会产生任何 artifacts 的。

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// Parallax
float smbParallax = ComputeParallax( 
    Xprev - gCameraDelta.xyz, 					// 相当于 V_prev
    gOrthoMode == 0.0 ? pixelUv : smbPixelUv,	// X 在当前裁剪空间的位置，实际上也代表了 V
    gWorldToClip,
    gRectSize, 
    gUnproject, 
    gOrthoMode
);

float ComputeParallax( float3 X, float2 uvForZeroParallax, float4x4 mWorldToClip, float2 rectSize, float unproject, float orthoMode )
{
    // 将 V_prev 变换到裁剪空间中
    float3 clip = STL::Geometry::ProjectiveTransform( mWorldToClip, X ).xyw;
    clip.xy /= clip.z;
    clip.y = -clip.y;
    float2 uv = clip.xy * 0.5 + 0.5;
    
    float invDist = orthoMode == 0.0 ? rsqrt( STL::Math::LengthSquared( X ) ) : rcp( clip.z );
	
    // 计算 V_prev 与 V 之间的偏差
    float2 parallaxInUv = uv - uvForZeroParallax;
    float parallaxInPixels = length( parallaxInUv * rectSize );
    float parallaxInUnits = PixelRadiusToWorld( unproject, orthoMode, parallaxInPixels, clip.z );
    float parallax = parallaxInUnits * invDist;

    return parallax * NRD_PARALLAX_NORMALIZATION;
}

diffuse 与 view 无关，但 specular 与 view 相关；相邻两帧间的 view 可能发生偏差，导致 \(x_{prev}\) 的 specular 对当前帧 pixel \(x\) 的 specular 参考价值变低。

也就是说，parallax 越大就说明 surface motion 这个历史信息越不可靠：

  • 历史混合权重应该更低
  • 应用更宽的 variance clamping（源码未实现）

作者认为对于干净的 hit-dist 输入信号，variance 会比较小，从而 clamping 会十分有用。可惜在 ReBLUR pipeline 中，Pre-blur 还不足以保证输出信号的充分降噪，因此不太适合使用 clamping，强行使用只会浪费性能。

在最后计算 smbSpecAccumSpeed（即 accumulated frames 的数量）的时候会用到形如下的函数 f，即 GetSpecAccumSpeed：

\(A=f(A,n\cdot v,parallex)\)

  • roughness：对于 roughness 很小的情况下，\(f\) 的输出会更小
  • parallax：对于 parallax 很大（即两帧之间视角差别很大时）的情况下，\(f\) 的输出会更小
  • nov：\(f\) 的输出应当比 \(n\cdot v\) 的绝对值更小（surface motion 本身没有考虑菲涅尔效应）

ps：\(f\) 输出越小，那么历史混合权重就越小

float GetSpecAccumSpeed( float maxAccumSpeed, float roughness, float NoV, float parallax, float curvature, float viewZ )
{
    // Artificially increase roughness if parallax is low to get a few frames of accumulation // TODO: is there a better way?
    float smbParallaxNorm = SaturateParallax( parallax * REBLUR_PARALLAX_SCALE );
    roughness = roughness + saturate( 0.05 - roughness ) * ( 1.0 - smbParallaxNorm );

    // Recalculate virtual roughness from curvature
    float pixelSize = PixelRadiusToWorld( gUnproject, gOrthoMode, 1.0, viewZ );
    float curvatureAngleTan = abs( curvature ) * pixelSize * gFramerateScale;

    float percentOfVolume = 0.75;
    float roughnessFromCurvatureAngle = STL::Math::Sqrt01( curvatureAngleTan * ( 1.0 - percentOfVolume ) / percentOfVolume );

    roughness = lerp( roughness, 1.0, roughnessFromCurvatureAngle );

    float acos01sq = saturate( 1.0 - NoV * 0.99999 ); // see AcosApprox()
    float a = STL::Math::Pow01( acos01sq, REBLUR_SPEC_ACCUM_CURVE );
    float b = 1.1 + roughness * roughness;
    float parallaxSensitivity = ( b + a ) / ( b - a );

    float powerScale = 1.0 + parallaxSensitivity * parallax * REBLUR_PARALLAX_SCALE; // TODO: previously was REBLUR_PARALLAX_SCALE => gFramerateScale
    float accumSpeed = GetSpecAccumulatedFrameNum( roughness, powerScale );
    accumSpeed = min( accumSpeed, maxAccumSpeed );
    return accumSpeed * float( gResetHistory == 0 );
}

virtual motion

这个方法和 2021 reliable motion vector 的 glossy motion vector 是相似的思路。

上面说到 surface motion 有时候可能对 specular 的参考价值不大，因为它的思路是跟踪着色点，而我们更应该跟踪反射点（specular 贡献最大的地方），于是就需要另一种方式计算出的参考位置，也就是 virtual motion。

virtual motion，核心是通过 hit dist 和 view 算出虚像的位置 \(x_{virtual}\)，然后 previous camera 和虚像的位置连线后相交于以 \(x\) 为准的平面，就能得到前一帧反射点 \(virtualPrev\) ，这个点便是我们更应该参考的点，因为它往往是反射最强烈的点（在镜面反射情形下它就是最佳参考点）。

虚像是指物体沿反射平面翻转后形成的虚假形象，它与反射点相连恰恰就是 view 的方向。这是使用虚像是为了方便计算，不然对着实像去做 motion，又得引入各种额外的 reflect 等计算。

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// 用于说明，非源码
float3 Xvirtual = X - V * hitDist;
float2 pixelUvVirtualPrev = GetScreenUv( gWorldToClipPrev , Xvirtual );

然而实际上的 specular 不可能全部都是 mirror reflection（roughness = 0），也就是说它的 lobe 可能是胖一些的（roughness>0）：

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对于非 mirror reflection 的 lobe，我们希望应该参考反射稍弱一些的地方，因此可以根据 roughness 来调整 \(x_{virtual}\) 的位置：roughness 越大，那么就让它越靠近表面的 \(x\)，从而得到更加偏离反射点的 \(virtualPrev\)。

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// 用于说明，非源码
float f = GetSpecularDominantFactor(NoV, roughness);
float3 Xvirtual = X - V * hitDist * f;
float2 pixelUvVirtualPrev = GetScreenUv( gWorldToClipPrev , Xvirtual );

这个根据 roughness 来决定的距离比例函数 GetSpecularDominantFactor 如下：

float GetSpecularDominantFactor(float NoV, float linearRoughness, compiletime const uint mode = STL_SPECULAR_DOMINANT_DIRECTION_DEFAULT)
{
    float dominantFactor;
    if (mode == STL_SPECULAR_DOMINANT_DIRECTION_G2)
    {
        float a = 0.298475 * log(39.4115 - 39.0029 * linearRoughness);
        dominantFactor = Math::Pow01(1.0 - NoV, 10.8649) * (1.0 - a) + a;
    }
    else if (mode == STL_SPECULAR_DOMINANT_DIRECTION_G1)
        dominantFactor = 0.298475 * NoV * log(39.4115 - 39.0029 * linearRoughness) + (0.385503 - 0.385503 * NoV) * log(13.1567 - 12.2848 * linearRoughness);
    else
    {
        float s = 1.0 - linearRoughness;
        dominantFactor = s * (Math::Sqrt01(s) + linearRoughness);
    }
    return saturate(dominantFactor);
}

virtual motion confidence

对于 specular 来说，surface motion 可以通过 parallax, nov, roughness 等来衡量它的可参考性，而 virtual motion 的参考价值也不是完美的，因此也需要有 virtual motion confidence 来衡量它的可参考性：

  • hit dist：如果 hit dist 变化不大，那么增强一些 confidence
// Virtual motion confidence
float smbHitDist = ExtractHitDist( lerp( spec, smbSpecHistory, STL::Math::SmoothStep( 0.04, 0.11, roughnessModified ) ) ); // see tests 114 and 138
smbHitDist *= hitDistScale;

float vmbHitDist = ExtractHitDist( vmbSpecHistory );
vmbHitDist *= _ReBLUR_GetHitDistanceNormalization( dot( vmbViewZs, 0.25 ), gHitDistParams, vmbRoughness );

float3 smbXvirtual = GetXvirtual( NoV, smbHitDist, curvature, X, Xprev, V, dominantFactor );
float2 uv1 = STL::Geometry::GetScreenUv( gWorldToClipPrev, smbXvirtual, false );
float3 vmbXvirtual = GetXvirtual( NoV, vmbHitDist, curvature, X, Xprev, V, dominantFactor );
float2 uv2 = STL::Geometry::GetScreenUv( gWorldToClipPrev, vmbXvirtual, false );

float hitDistDeltaScale = min( specAccumSpeed, 10.0 ) * lerp( 1.0, 0.5, saturate( gSpecPrepassBlurRadius / 5.0 ) ); // TODO: is it possible to tune better?
float deltaParallaxInPixels = length( ( uv1 - uv2 ) * gRectSize );
float virtualMotionHitDistWeight = saturate( 1.0 - hitDistDeltaScale * deltaParallaxInPixels );
  • prev prev：计算出 \(x_{prev}\) 位置与 \(x_{virtual}\) 位置的单位位移方向（delta），然后从 \(x_{virtual}\) 往 delta 方向移动若干次（源码迭代次数为2次），每次停留下来的点拿去检测：如果 normal 变化不大，那么增强一些 confidence

这个操作主要是为了解决在光滑平面接受粗糙表面 radiance 的 failure case，里面实际上还综合考虑了 viewz，roughness，具体可看源码。

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// Virtual motion confidence - fixing trails if radiance on a flat surface is taken from a sloppy surface
float2 virtualMotionDelta = vmbPixelUv - smbPixelUv;
virtualMotionDelta *= STL::Math::Rsqrt( STL::Math::LengthSquared( virtualMotionDelta ) );
virtualMotionDelta /= gRectSizePrev;
virtualMotionDelta *= saturate( smbParallaxInPixels / 0.1 ) + smbParallaxInPixels;

float virtualMotionPrevPrevWeight = 1.0;
[unroll]
for( uint i = 1; i <= ReBLUR_VIRTUAL_MOTION_NORMAL_WEIGHT_ITERATION_NUM; i++ )
{
	float2 vmbPixelUvPrev = vmbPixelUv + virtualMotionDelta * i;

	float4 vmbNormalAndRoughnessPrev = UnpackNormalAndRoughness( gIn_Prev_Normal_Roughness.SampleLevel( gLinearClamp, vmbPixelUvPrev * gRectSizePrev * gInvScreenSize, 0 ) );
	float3 vmbNprev = STL::Geometry::RotateVector( gWorldPrevToWorld, vmbNormalAndRoughnessPrev.xyz );

	float w = GetEncodingAwareNormalWeight( N, vmbNprev, angle + curvatureAngle * i );

	float wr = GetEncodingAwareRoughnessWeights( roughness, vmbNormalAndRoughnessPrev.w, roughnessFraction );
	w *= lerp( 0.25 * i, 1.0, wr );

	// Ignore pixels from distant surfaces
	// TODO: with this addition test 3e shows a leak from the bright wall
	float vmbZprev = UnpackViewZ( gIn_Prev_ViewZ.SampleLevel( gLinearClamp, vmbPixelUvPrev * gRectSizePrev * gInvScreenSize, 0 ) );
	float wz = GetBilateralWeight( vmbZprev, Xvprev.z );
	w = lerp( 1.0, w, wz );

	virtualMotionPrevPrevWeight *= IsInScreen( vmbPixelUvPrev ) ? w : 1.0;
	virtualMotionRoughnessWeight *= wr;
}

根据 virtual motion confidence，计算出 virtual motion 的 accum speed：

// Virtual motion - accumulation acceleration
float responsiveAccumulationAmount = GetResponsiveAccumulationAmount( roughness );
float vmbSpecAccumSpeed = GetSpecAccumSpeed( specAccumSpeed, lerp( 1.0, roughnessModified, responsiveAccumulationAmount ), 0.99999, 0.0, 0.0, 1.0 );

float smc = GetSpecMagicCurve2( roughnessModified, 0.97 );
vmbSpecAccumSpeed *= lerp( smc, 1.0, virtualMotionHitDistWeight );
vmbSpecAccumSpeed *= virtualMotionPrevPrevWeight;

如果 virtual motion confidence 比较低，那么还可以再给 surface motion 的 accum speed 额外调高些：

// Surface motion - allow more accumulation in regions with low virtual motion confidence ( test 9 )
float roughnessBoost = ( 0.1 + 0.3 * roughnessModified ) * ( 1.0 - roughnessModified );
float roughnessBoostAmount = virtualHistoryAmount * ( 1.0 - virtualMotionRoughnessWeight );
float roughnessBoosted = roughnessModified + roughnessBoost * roughnessBoostAmount;
float smbSpecAccumSpeed = GetSpecAccumSpeed( specAccumSpeed, roughnessBoosted, NoV, smbParallax, curvature, viewZ );

历史权重（history weight）

有了基于 surface motion 计算出来的 smbSpecAccumSpeed 和基于 virtual motion 计算出来的 vmbSpecAccumSpeed，用于计算出两种 motion 方式的混合比例：

// Fallback to surface motion if virtual motion doesn't go well
virtualHistoryAmount *= saturate( ( vmbSpecAccumSpeed + 0.1 ) / ( smbSpecAccumSpeed + 0.1 ) );

根据混合比例，混合出 specular 历史 color 和 accum speed：

REBLUR_TYPE specHistory = lerp( smbSpecHistory, vmbSpecHistory, virtualHistoryAmount );
// Accumulation with checkerboard resolve // TODO: materialID support?
specAccumSpeed = InterpolateAccumSpeeds( smbSpecAccumSpeed, vmbSpecAccumSpeed, virtualHistoryAmount );

最终，和 diffuse temporal filtering 相似，根据 \(x_{prev}\) 的 accum speed（并限制在最多 32 帧）混合，输出结果：

\[\text { Output }=\text { lerp }\left(\text { History }, \text { Input }, \frac{1}{1+A}\right) \]

实际上，这里的混合还是和 diffuse temporal filtering 有所不同，因为这里还额外用 roughness 去稍微限制一下混合权重，具体可看源码。个人猜测理由是：specular 信号相比 diffuse 信号在时间域上的变化更加高频，因此不易太多 accumulation（低频化）。

float specAccumSpeedNonLinear = 1.0 / ( min( specAccumSpeed, gMaxAccumulatedFrameNum ) + 1.0 );
REBLUR_TYPE specResult = MixHistoryAndCurrent( specHistory, spec, specAccumSpeedNonLinear, roughnessModified );

ReBLUR Diffuse-Specular Pipeline

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ps：反向的箭头是指上一帧的输出信息被 temporal 所利用

其它功能：

  • performance mode（性能模式）：主要就是关闭了 History fix 的相当部分代码，增速至约 1.25 倍
  • 支持 Checkerboard Resolve（棋盘式渲染），即 0.5 SPP 信号
  • 支持输入 Occlusion 信号，可以做额外实现 AO 降噪这个附加功能

Pass 1: Pre-blur

其实就是 spatial filtering：

  • 使用固定的半径（实际上取决于 hit dist）：对原始输入图像去做一个初步的降噪，从而粗略的完成 outliers removal

Pass 2: Accumulation

其实就是 temporal filtering，其所需的历史帧信息：

  • accum speed：成功累积的帧数，可以理解成对应的 fragment 已经在屏幕中存活了多久
  • viewz：深度
  • normal & roughness
  • material ID
  • diffuse color
  • specular color

可以看到 Accumulation 所需要的存储和带宽都比较大。

Pass 3: History Fix

有些 pixel 的 accumulated frames 数量很少（一般都是刚出现在屏幕0~3帧的 pixels），它只剩下初始的 1 spp 信号（缺少历史信息，往往充满噪声），这时候就需要对其重建历史：

  1. 取 3x3 周围 pixels 的 accum speed 并进行混合得到该 pixel 的 accum speed
  2. 如果 accum speed 低于某个阈值，说明缺少历史信息，然后进行 5x5 的简化版 spatial filtering 得到重建后（其实就希望用 blur 替代噪声）的 diffuse/specular 信号和 viewz

源代码中并没有看到对 diffuse/specular 信号或 viewz 生成了 mip，可能是原方法太过耗时，效果提升不大，不如干脆就做一遍 blur。

此外，performance mode 相关的代码基本都在 History fix Pass，开启 performance mode 可以加速 ReBLUR 性能到约 1.25 倍。

Pass 4: Blur & Pass 5: Post-blur

两个 pass 也都是 spatial filtering：

  • 都是自适应半径（取决于 accumulated frames 和 hit dist）
  • 但 Blur 使用较小的 radius scale，而 Post-blur 使用更大的 radius scale

为什么 Blur 和 Post-Blur 两个 Pass 几乎没区别，却不合并成一个 Blur Pass，个人理解是跟 a-trous 思想类似，只不过这种方式只有两层 Blur：

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Pass 6: Temporal Stabilization

temporal stabilization != temporal accumulation，而是类似 TAA 的 filter：

  • 基于 variance 的 clamping：相比 TAA 使用更宽的半径范围，clamp 掉的 history 以一定权重混合 current
  • 不引入额外的延迟

虽然看代码，大部分还是 temporal filtering 的内容，但是就是通过 anti-lag 的处理和 clamping 才实现了类似 TAA 的效果。

SIGMA 前置知识

Tile-based Denoising

可以将屏幕分成一块块 tile，如果 tile 内部有至少一个需要降噪的 pixel，则将该 tile 加入需要降噪的 tile 队列。

对于 shadows 信号，图像内其实含有大量无需降噪的 pixels（例如整块 tile 都是被照亮的或者被遮挡的）：

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我们只需要对标记了的 tiles 进行降噪操作。

空间滤波（Spatial Filtering）：Shadows

估测 occluder 平均距离

hit dist 意味着 shading point 到 occluder 的距离，而由于每个 pixel 的 hit dist 往往是 noisy 的，而后面的模糊步骤需要依赖干净一些的 hit dist 信息来指导，因此先做了一次屏幕空间上固定半径的基于深度权重的 spatial filtering：

其实也顺便 blur 了一下 visibility。

float sum = 0;
float hitDist = 0;
SIGMA_TYPE result = 0;
[unroll]
for( j = 0; j <= BORDER * 2; j++ )
{
	[unroll]
	for( i = 0; i <= BORDER * 2; i++ )
	{
		int2 pos = threadPos + int2( i, j );
		float2 data = s_Data[ pos.y ][ pos.x ];
		SIGMA_TYPE s = s_Shadow_Translucency[ pos.y ][ pos.x ];
		float h = data.x;
		float signNoL = float( data.x != 0.0 );
		float z = data.y;
		float w = 1.0;
		if( !( i == BORDER && j == BORDER ) )
		{
			w = GetBilateralWeight( z, viewZ );
			w *= saturate( 1.0 - abs( centerSignNoL - signNoL ) );
		}
		result += s * w;
		hitDist += h * float( s.x != 1.0 ) * w;
		sum += w;
	}
}
float invSum = 1.0 / sum;
result *= invSum;
hitDist *= invSum;

sampling space

与 diffuse 相似，对阴影模糊更应该在以 n 为法线的平面进行空间滤波（而非以 view 为法线的屏幕空间上）：

image-20220903160600506

在以 n 为法线的平面上分布的 poisson samples 还需要转换回屏幕空间 uv 坐标以便访问对应 pixel 的 visibility：

float2 GetKernelSampleCoordinates( float4x4 mToClip, float3 offset, float3 X, float3 T, float3 B, float4 rotator = float4( 1, 0, 0, 1 ) )
{
    #if( NRD_USE_QUADRATIC_DISTRIBUTION == 1 )
        offset.xy *= offset.z;
    #endif

    // We can't rotate T and B instead, because T is skewed
    offset.xy = STL::Geometry::RotateVector( rotator, offset.xy );

    float3 p = X + T * offset.x + B * offset.y;
    float3 clip = STL::Geometry::ProjectiveTransform( mToClip, p ).xyw;
    clip.xy /= clip.z;
    clip.y = -clip.y;

    float2 uv = clip.xy * 0.5 + 0.5;

    return uv;
}

SIGMA Shadow Pipeline

核心在于，输入 shadows 信号（是屏幕图像，而不是 shadowmap），每个 pixel 值代表了它的 visibility（可见性），对被标记的 tile 里的所有 pixels 做 2 次空间滤波 + 1 次时域滤波。

image-20220903163829653

一般来讲，要使用 SIGMA，就要一个光源对场景生成一张屏幕图像，多个光源就得多张屏幕图像，因此应当只用在比较重要的主光源上。

SIGMA 可以结合较低采样数（如 2 SPP）的 PCF 或者 PCSS 来减少性能开销，然后通过空间滤波和时域滤波的方式直接模糊掉 noise，但 SIGMA 本身并不会特别耗性能，因为借它助 tile-based 特性大量剔除了无关计算。

Pass 1: Classify Tiles

将屏幕分成若干个 tiles，对每个 tile ：

  • 检测内部共 256 个 pixels 是否同时全被照亮或者同时全被遮挡：若不满足，则将该 tile 标记成应当 denosing
  • tile 内部每个 pixel 根据 hit dist 计算出 world radius（hit dist 越长往往更容易处于半影处），同时计算它投影在屏幕上的大小 pixel radius，并且比较并记录本 tile 中最大的 pixel radius 为 max radius。

Pass 2: Pre-blur & Pass 3: Blur

类似于 ReBLUR 的 Blur & Post-blur（两层空间滤波），不过每个 Pass 开头，先对 hit dist 和 visibility 做了一个固定半径的基于深度权重的粗糙模糊，接着才开始更正式的模糊：

  • 根据 hit dist 和 Pass 1 计算出的 max radius 决定模糊半径
  • 模糊权重基本上只考虑了 geometry 因素

Pass 4: Temporal Stabilization

类似于 ReBLUR 的 temporal stabilization，都是 TAA 效果：

  • 基于 variance 的 clamping
  • 不引入额外的延迟

ReLAX

主要是基于 SVGF + a-trous 的思路来做，然后对 diffuse 和 specular 两种信号分别进行了优化（在 ReBLUR 也能找到这些优化的踪影），核心是对 clamping 进行优化从而实现 fast history，对 RTXDI 的信号更加适用。

在 GI 中，实际性能与没开性能模式的 ReBLUR 差不多，且大部分场景下质量也不如性能模式下的 ReBLUR，因此此处就不深入剖析其源码了，推荐还是使用 ReBLUR+SIGMA。

总结

性能表现：

  • RTX 3090，2K 分辨率：
    • ReBLUR = 2.72 ms

image-20220902171129912

  • 个人实测：RTX2060，2K 分辨率，纯跑光追 20+ ms：
    • ReBLUR = ReLAX = 10 ms
    • ReBLUR: performance mode = 7~8 ms = 1.25倍的提升
    • SIGMA = 2~3 ms

总的来说，NRD 通过利用了非常多的历史信息（导致高带宽高存储）和多层 spatial/temporal pass 去做出非常高质量的降噪效果。也就是说它太过重量级了，如果我们要实际应用于自己的光追信号，可以适当参考 NRD 的一些技术点，设计出一个更轻量级的 denoising pipeline。

当然，它的各种工业界的 trick 也很厉害，各种小参数用不同的函数形式（甚至还用一些 magic curves）倒来倒去，最后来影响最主要的参数（半径、权重之类）。

参考

posted @ 2022-09-03 17:55  KillerAery  阅读(3051)  评论(1)  编辑  收藏  举报