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开放世界二次元游戏的光追实战：从技术选型到性能极致优化

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源视频信息

标题：[UFSH2025]《鸣潮》中的光线追踪: 用光线构建动漫风格开放世界 | 王鑫 库洛游戏《鸣潮》图形渲染组长

视频链接：https://www.bilibili.com/video/BV1hSW4zTEgQ

本文由 AI 基于视频内容生成，结合了原始字幕和关键截图，旨在为读者提供更易阅读的技术解析。

导读

本文深度剖析了库洛游戏如何在 UE4.26 基础上为开放世界二次元手游《鸣潮》实现光线追踪技术。文章涵盖从技术选型（ReSTIR vs Lumen）、风格化渲染适配、到 CPU/GPU 双端性能优化的完整工程实践。核心成果：在 RTX 4060 2K 设备上达到 60 FPS，同时保持二次元美术风格的完整性。

前置知识要求：熟悉实时渲染管线、光栅化与光追的基本原理、UE⅘ 渲染架构。

一、项目背景与技术挑战

《鸣潮》是一款主打高自由度动作战斗和开放世界探索的游戏，其技术特征决定了光追实现的独特挑战：

游戏展示

项目约束条件： - 引擎版本锁定：必须在 UE4.26 上实现（线上运营项目，无法升级引擎） - 世界规模：32km × 32km 超大开放世界 - 动态光照：完整的 TOD（Time of Day）系统 - 高速移动：ACT 游戏特性要求快速响应 - 风格化渲染：二次元美术风格，需要特殊的光照处理逻辑 - 稳定性优先：线上运营项目，稳定性是第一要务

技术目标： - 在动态场景和动态光源条件下实现三个核心特性： - 光追反射（RT Reflection） - 光追全局光照（RT Global Illumination） - 光追阴影（RT Shadow） - 性能目标：RTX 4060 2K 设备达到 60 FPS

技术目标

二、渲染管线基础：光栅化 vs 光追 vs 混合

2.1 两种渲染范式的本质差异

渲染管线对比

光栅化渲染管线： - 遍历场景中的所有三角形 - 将三角形投影到屏幕空间 - 查询每个三角形覆盖了哪些像素 - 对覆盖的像素进行着色

光追渲染管线： - 从屏幕像素出发发射光线 - 通过加速结构（BVH）遍历场景 - 查询光线命中了哪个三角形 - 根据命中信息对像素着色

光追管线示意

两者的最终目的都是对像素进行着色，呈现游戏画面到屏幕上。光追管线的核心是从 Ray Generation Shader 发射光线，经过加速结构遍历，每次命中都会进行 Intersection 和 Any Hit Shader 的计算。如果接受这次命中，就进入 Closest Hit Shader；如果一直没有命中，则进入 Miss Shader。

2.2 混合渲染管线（Hybrid Rendering Pipeline）

混合渲染管线

当今市面上大多数游戏采用的是 混合渲染管线（Hybrid Rendering Pipeline）：

  1. Geometry Pass（Base Pass）：生成 GBuffer 和深度信息
  2. 光追计算：在物体表面发射光线，进行光线追踪计算
  3. 获取间接信息：得到间接光、反射、阴影等信息
  4. Lighting Pass：结合光追结果进行最终光照计算

这种混合方式既能利用光栅化的高效性，又能获得光追带来的高质量间接光照效果。

三、光追效果实现：三大核心特性

3.1 光追反射（RT Reflection）

光追反射对比

光追反射可以显著提升水面等反射表面的质量： - 反射效果更加清晰、准确 - 屏幕外物体也能被反射（这是传统 SSR 无法做到的） - 能够正确反射复杂的场景几何

反射细节

3.2 光追全局光照（RT Global Illumination）

光追 GI 对比

光追 GI 为场景补充了丰富的间接光信息： - 增强场景的间接光照和遮蔽效果 - 让整个画面更有立体感 - 使场景具有环境一致的真实感

关键价值在于让场景的光照更加统一和谐，避免了传统烘焙光照的静态限制。

3.3 光追阴影（RT Shadow）

光追阴影对比

《鸣潮》的建筑采用了非常精细化的结构设计，但传统 CSM（Cascaded Shadow Map）的精度不足以覆盖这些细节。通过光追阴影，可以将这些精细结构的阴影完整展现出来。

阴影细节展示

对比效果非常明显：关闭光追时，建筑细节的阴影完全丢失；开启光追后，所有细节都能正确投影。

四、技术选型与快速验证

面对《鸣潮》的特殊需求，团队尝试了两种主流方案并进行了快速验证。

4.1 方案一：基于 ReSTIR 的路径追踪

ReSTIR 方案

ReSTIR（Reservoir-based Spatiotemporal Importance Resampling） 是一种基于蓄水池算法的重要性采样技术，在时域和空域上都进行重要性采样。

工作流程：

ReSTIR 流程

  1. 根据 GBuffer 和深度从物体表面发射光线，获取初始采样
  2. 在时域和空域上进行重采样
  3. 计算最终光照

配套方案：

为了实现完整的多次反弹效果，团队集成了两个 NVIDIA 库：

  • SHARC（Spatial Hash Radiance Cache）：基于世界空间哈希的辐射度缓存系统，支持两次反弹

SHARC

  • NRD（NVIDIA Real-time Denoiser）：可开箱即用的降噪器，但性能开销较高（官方数据显示在 RTX 4080 2K 下需要 2-3ms）

方案评估：

ReSTIR 评估

方案优势 - ✅ 实现简单，有多个开箱即用的库 - ✅ 光照结果准确 - ✅ 如果光照稳定，闪烁较少

方案劣势 - ❌ Per-pixel 追踪导致远处/边缘/运动像素存在高频噪点 - ❌ ReSTIR 算法天生带宽压力大（多次蓄水池读写） - ❌ 降噪器开销高 - ❌ 综合性能较差

适用场景： - 画质优先的离线渲染或高端设备 - 场景相对静态、移动较少的应用

4.2 方案二：基于硬件光追的 Lumen

Lumen 方案

Lumen 是 UE5 中基于 Probe 的成熟 GI 方案，团队将其移植到了 UE4.26。

核心思路：

Lumen 使用 **Surface Cache（表面缓存）**机制： - 将场景表面划分为多个 Cards - 每个 Card 存储该表面的辐射度信息 - 在需要时从 Surface Cache 中采样，而不是每帧都追踪光线

Surface Cache

这种空间换时间的策略大幅降低了光线追踪的开销。

方案评估：

Lumen 评估

方案优势 - ✅ 性能显著优于 ReSTIR - ✅ 画面稳定，闪烁少 - ✅ 更适合开放世界动态场景 - ✅ UE5 已验证的成熟方案

方案劣势 - ❌ 间接光精度相对较低 - ❌ 部分场景可能出现漏光现象

适用场景： - 开放世界游戏 - 需要实时动态光照的项目 - 性能受限的平台

4.3 最终选择：Lumen 混合方案

综合考虑项目需求，团队最终选择了基于 Lumen 的方案： - 光追反射：使用传统光追实现 - 光追 GI：使用 Lumen - 光追阴影：使用传统光追

这种混合策略在性能和画质之间取得了最佳平衡。

五、引擎集成：解决实际工程问题

将光追技术集成到 UE4.26 的《鸣潮》引擎中，团队遇到了诸多工程挑战。

5.1 灯光数量限制问题

灯光问题

问题描述：

UE4 原版限制参与光追计算的灯光为全局 256 盏。原因是在选择灯光进行采样时，需要遍历全场景的灯光重建 CDF（累积分布函数），灯光数量多起来时性能爆炸。

解决方案：

灯光优化

  1. 世界空间分格子：在世界空间划分网格
  2. Cluster Culling：使用聚类剔除，将灯光提前过滤
  3. ReGIR 重要性采样：参考 ReGIR（Real-time Global Illumination with Radiance Caching and Reservoir Resampling）论文，为每个格子进行适度的重采样

这样每一帧每个格子只有一盏灯光参与计算，大幅降低了开销。

性能对比：

灯光性能对比

  • 场景中放置 600 盏灯光
  • UE4 原版方案：约 10ms
  • 开启 ReGIR 后：消耗明显降低

5.2 卡通渲染适配：角色自阴影

角色自阴影问题

问题描述：

二次元卡通渲染不希望角色有自阴影效果，会让角色外观变得过于写实，破坏卡通风格。

传统解决方案：

在光栅化管线中，我们分离了场景阴影和角色阴影： - 场景走 CSM - 角色走 Per-Object Shadow Map

角色采样时只采样 CSM，从而避免自阴影。

光追适配方案：

Instance Mask

增加了一个 Instance Mask： - Mask 包含所有投射阴影的场景物体 - 但不包括角色

在做阴影追踪时，如果 Shading Point 是角色，就使用这个 Instance Mask 进行追踪，从而避免角色对自己投射阴影。

// [AI补充] 基于视频逻辑的伪代码示例
struct RayTracingShadowParams {
    uint InstanceMask;  // 实例掩码
};

// 角色阴影追踪
if (IsCharacter(ShadingPoint)) {
    // 使用特殊的 Instance Mask，排除角色自身
    Params.InstanceMask = SCENE_ONLY_MASK;
} else {
    // 普通场景物体使用全局 Mask
    Params.InstanceMask = DEFAULT_MASK;
}

TraceRay(/* ... */, Params.InstanceMask, /* ... */);

5.3 卡通渲染适配：角色 GI

角色 GI

设计目标：

让角色的渲染与场景氛围更加贴合，角色需要接受场景反射的间接光，提升通透感。

风格化处理：

GI 风格化

  1. 法线修改：
  2. 对头发和面部做球形法线
  3. 将角色整体法线往相机方向偏移

  4. 实现较低频率、平滑的间接光效果

  5. 颜色处理：

颜色处理

因为卡通渲染在阴影区域不是全黑的，为了避免光照爆掉： - 将间接光转为 HSV 颜色空间 - 限制饱和度（Saturation）和明度（Value） - 叠加 AO 增加层次感

  1. 皮肤特殊处理：针对皮肤材质做了额外的颜色调整
// [AI补充] GI 颜色处理逻辑
float3 ProcessGIForToon(float3 GIColor, float AO) {
    // 转换到 HSV 空间
    float3 HSV = RGBtoHSV(GIColor);

    // 限制饱和度和明度，防止过曝
    HSV.y = clamp(HSV.y, 0.0, MAX_SATURATION);  // 饱和度限制
    HSV.z = clamp(HSV.z, 0.0, MAX_VALUE);       // 明度限制

    float3 ClampedGI = HSVtoRGB(HSV);

    // 应用 AO 增加层次感
    return ClampedGI * AO;
}

5.4 卡通渲染适配：角色反射

角色反射

设计目标：

让反射应用在角色的金属表面（如武器、饰品），增加角色与环境的交互细节。

风格化处理：

  1. 粗糙度 Clamp：将粗糙度进行限制，避免过于写实的反射
  2. 金属度作为反射强度：不使用物理正确的金属度，而是作为反射强度参数
  3. 阈值控制：超过 0.9 的像素才进行反射

混合策略：

为了不影响原有的 MatCap 效果，直接将反射结果加到原来的 MatCap 上面。

// [AI补充] 角色反射处理逻辑
float3 ProcessReflectionForToon(float3 BaseColor, float3 Reflection,
                                 float Roughness, float Metallic) {
    // Clamp 粗糙度
    Roughness = clamp(Roughness, MIN_ROUGHNESS, MAX_ROUGHNESS);

    // 金属度作为反射强度
    float ReflectionStrength = Metallic;

    // 只有高金属度区域才显示反射
    if (Metallic > 0.9) {
        // 直接叠加到 MatCap 上
        return BaseColor + Reflection * ReflectionStrength;
    }

    return BaseColor;
}

5.5 Billboard 和半透物体阴影

Billboard 阴影问题

问题描述：

场景中有 Billboard 和半透物体需要投射阴影。在光栅化中可以通过静态分支控制 Shadow Pass 和 Base Pass 的物体剔除逻辑，但在光追中不行，因为 BVH 只有一份。

解决方案：

阴影混合方案

  1. 保留这些物体的 ShadowMap 计算
  2. 其他物体走光追阴影
  3. 进行 Tile Classify：过滤掉完全在阴影下的 Tile，减少需要追踪的像素
  4. 对剩余像素进行 Shadow Ray Tracing
  5. 最后降噪后输出给 Lighting

5.6 单面 Plane 的光追阴影

单面 Plane 问题

问题描述：

美术经常使用单向的 Plane 来遮挡光照。但 ShadowMap 是从灯光方向往下渲染深度，而 Shadow Ray Tracing 是从物体表面往光源方向发射。如果都用背面剔除，逻辑就对不上，会造成漏光。

解决方案：

所有的 Shadow Ray 都做**前向剔除（Front Face Culling）**，从而适配原有的美术逻辑。

// [AI补充] 光追阴影射线配置
RayDesc ShadowRay;
ShadowRay.Origin = ShadingPoint;
ShadowRay.Direction = LightDirection;
ShadowRay.TMin = 0.01;
ShadowRay.TMax = LightDistance;

// 使用前向剔除，适配单面 Plane
uint RayFlags = RAY_FLAG_CULL_FRONT_FACING_TRIANGLES;

TraceRay(/* ... */, RayFlags, /* ... */);

5.7 体积雾适配

体积雾问题

问题描述：

UE4 的体积雾依赖 CSM。当开启光追阴影后，CSM 变得不完整，整个场景的体积雾就会爆掉。

解决方案：

体积雾方案

参考 UE5 的做法： 1. 用一个 Shadow Ray 预生成 3D 的 Shadow Volume 2. 在阴影 Lighting 时，用这个 Shadow Volume 去判断体积雾的可见性 3. 可以通过前面提到的 Hybrid Shadow（混合阴影）做进一步优化，减少追踪的物体 4. 结合 Shadow Volume 和体积雾的精度需求，在低端机器上使用更低分辨率的 Volume 追踪

5.8 单层水体和半透材质

单层水体

问题描述：

反射中需要看到单层水体（Single Layer Water）和半透物体。UE 的单层水体只能在 Lighting 之后渲染，因为它需要采样地下的颜色和深度。

解决方案：

水体反射方案

在反射中击中单层水体时： 1. 多追踪一条光线去计算地下的颜色和深度 2. 模拟出散射效果

半透物体的处理类似： 1. 逐层发射光线 2. 手动进行混合（Blend）

性能警告：这个操作对性能消耗非常大，需要特别注意使用范围。

水体反射效果

可以看到，水体是单层水体，瀑布是半透，都能正确反射出来。

5.9 复杂天空盒反射

天空盒问题

问题描述：

《鸣潮》的天空盒非常好看但也非常复杂，如右图所示有好几层云层效果。我们希望在反射中也能看到这个精美的天空。

解决方案：

天空盒反射

在 Miss Shader 或者 T 值足够远时，判断为击中天空： 1. 进行 3 到 4 次的光线遍历 2. 手动混合（Blend）各层天空 3. 反射出完整的天空效果

性能问题：此时性能已经爆炸，引出了后续的性能优化工作。

六、性能优化：GPU 端

6.1 天空盒烘焙优化

天空盒烘焙

优化思路：

既然天空盒这么复杂，能不能把它烘焙起来？

实现方案： 1. 使用光栅化将天空盒烘焙到一张 CubeMap 2. 因为天空盒非常远，视差几乎为零，所以全局只需要一个 Capture 就够了 3. 可以根据策略分帧更新（如每隔几秒更新一次） 4. 当光线 Miss 时，根据光线方向采样这个 CubeMap

性能提升：

完成这个优化后，反射性能直接提升了 25%。

6.2 Payload 压缩优化

Payload 优化

原理说明：

Payload 是光线携带的数据，类似于一个"信使"，可以在各个 Shader 之间传递信息。Payload 越小，追踪的代价越低。

优化过程：

  • UE4 原生的 Payload：64 字节
  • 分析光照计算实际需要的数据后压缩到：32 字节
  • 画面质量无损失
  • 尝试过压到 20 或 16 字节，但会损失效果且性能提升有限

性能提升：

压缩到 32 字节后，GPU 整体追踪性能直接提升了 15%。

// [AI补充] Payload 结构示例
struct RayPayload_Optimized {
    float3 Color;           // 12 bytes - 颜色
    float HitT;             // 4 bytes - 命中距离
    float3 WorldNormal;     // 12 bytes - 世界空间法线
    uint PackedData;        // 4 bytes - 打包的材质 ID 等信息
    // 总计 32 bytes
};

// 原始 64 字节版本会包含更多冗余信息
struct RayPayload_Original {
    float3 Color;           // 12 bytes
    float HitT;             // 4 bytes
    float3 WorldNormal;     // 12 bytes
    float3 WorldPosition;   // 12 bytes
    float3 Tangent;         // 12 bytes
    float Roughness;        // 4 bytes
    float Metallic;         // 4 bytes
    uint MaterialID;        // 4 bytes
    // 总计 64 bytes
};

6.3 材质简化优化

材质简化

优化思路：

光追中的 GI 和反射不需要做完整的光栅化材质计算，尤其是 GI 可以更加简化。

实现方案：

材质分支

  1. UE4 本来就有分离了光栅化和光追的材质节点
  2. 在此基础上将 GI 和反射也分离出来计算
  3. 为 GI 分支做更激进的简化
  4. GI 甚至可以不走完整的 PBR，使用简化的光照模型

收益：

减少了 Shader 复杂度，降低了寄存器压力和带宽消耗。

6.4 NVIDIA 硬件特性

NVIDIA 特性

团队还使用了两个 NVIDIA 独占的硬件特性：

OMM（Opacity Micro-Map）：

OMM

  • 光追中做 Alpha Test 需要在 Any Hit Shader 中计算
  • OMM 可以将三角形的可见性状态烘焙到 BLAS（Bottom-Level Acceleration Structure）中
  • 只有黄色的三角形才需要走 Any Hit Shader
  • 在树木很多的场景中可以大幅减少 Any Hit Shader 调用

SER（Shader Execution Reordering）：

SER

  • 在底层做一次 Shader 的执行重排序
  • 解决 GPU 计算的 Divergence（分歧）问题
  • 尤其对 GI 计算效果显著

这两个功能都已进入 DirectX 12.2 标准，希望其他厂商也能早日跟进。

七、性能优化：CPU 端

在完成 GPU 优化后，团队发现项目瓶颈转移到了 CPU。

7.1 CPU 性能分析

CPU 分析

通过 NVIDIA Nsight 分析发现，几个任务非常重： - Galaxy Instance：收集需要参与光追的实例 - 构建加速结构 - 绑定 SBT（Shader Binding Table）

光追的任务台还会阻塞渲染线程，导致帧时间来到 20ms 左右，不得不优化。

7.2 优化阶段一：Culling 和数据复用

优化阶段一

问题分析：

因为是开放世界游戏，需要加入光追实例的东西实在太多。

解决方案：

  1. CPU 端 Culling：
  2. 针对相机前后做不同程度的半径和立体角剔除

  3. 大幅减少需要处理的实例数量

  4. Global 描述符表：

  5. 发现每个材质的 Root Descriptor 上有大量重复的公共数据（如 View Uniform Buffer）
  6. 将这些数据放在一个 Global Root Descriptor 表里
  7. 降低每个材质的绑定开销

性能提升：

完成后帧时间从 20ms 降到 16.6ms（60 FPS）。

7.3 优化阶段二：任务前移

优化阶段二

Galaxy Instance 优化：

分析发现这个任务可以放到渲染 View 之前： 1. 依赖的任务完成后马上开始做 2. 分发到 Task 线程执行，不阻塞渲染线程

加速结构构建优化：

AS 构建优化

构建加速结构需要做两件事： 1. 填充底层加速结构（BLAS） 2. 构建动态物体的 BLAS 和整个场景的 TLAS（Top-Level Acceleration Structure）

优化方案： - 静态物体的 BLAS 在加载时就已构建好 - 拆出一个 Pre-Build AS 任务 - 放到 Galaxy Instance 之后（已前移到渲染 View 前） - 马上开始填充静态物体的所有数据和动态物体除 BLAS 之外的数据 - 原任务只需构建和填充动态物体的 BLAS 以及构建 TLAS

性能提升：

完成后帧时间降到 14.5ms。

7.4 优化阶段三：SBT 绑定优化

优化阶段三

SBT 绑定任务分析：

需要绑定 Hit Group Shader 和 Geometry 描述符。

优化方案：

同样拆出一个 Pre-Bind SBT 任务： 1. 提前到 Flush Shared Resources 之后马上开始 2. 绑定静态物体的所有内容 3. 绑定动态物体除 Geometry 描述符之外的所有内容 4. 原任务只需绑定动态物体的 Geometry 描述符（需要等 BLAS 构建完成）

性能提升：

  • 开启 DLSS：帧时间降到 10.5ms
  • 关闭 DLSS 在 TestBed 下：帧时间 7.35ms

此时项目重新回到 GPU Bound。

CPU 优化总结

八、总结与未来展望

8.1 项目成果总结

总结

本项目成功实现了以下目标：

  1. 快速验证：评估了 ReSTIR 和 Lumen 两种方案
  2. 技术选型：选择了更适合开放世界动态场景的混合方案
  3. 功能实现：通过光追实现了反射、GI、阴影三个核心特性
  4. 工程集成：解决了集成到 UE4.26 和卡通渲染管线中遇到的各种问题
  5. 性能优化：在 GPU 和 CPU 上都做了深度优化
  6. 目标达成：在 RTX 4060 2K 设备上达到 60 FPS

8.2 未来工作计划

未来展望

平台扩展： - 在更多平台上支持光追（主机、Mac、移动端等）

性能优化： - Inline Ray Tracing - Bindless 资源管理

新功能开发： - 光追直接光（实现无限阴影） - GPU 驱动的 Pipeline（正在开发中） - Mega Geometry 技术探索 - 更多光追效果（粒子、半透、焦散等）

九、实战避坑指南

基于整个项目的实践经验，总结以下关键经验：

技术选型建议

  • 对于开放世界动态场景，基于 Spatial Cache 的方案（如 Lumen）优于 Per-pixel 方案（如 ReSTIR）
  • 路径追踪方案更适合静态场景或离线渲染
  • 混合渲染管线是当前最实用的选择

风格化渲染适配

  • 不要直接套用 PBR 光追方案，需要针对美术风格做大量定制
  • 使用 Instance Mask 等机制实现精细的渲染分组控制
  • 法线、颜色空间转换是实现风格化的关键技术

性能优化要点

  • Payload 大小对性能影响巨大，务必压缩
  • 天空盒等远景元素可以预烘焙
  • CPU 端任务调度优化空间很大，可以通过任务前移和并行化大幅提升
  • 善用硬件特性（OMM、SER 等）

工程实践建议

  • 开放世界项目的 Instance 数量巨大，Culling 是必选项
  • 分离 GI 和反射的材质计算，避免过度计算
  • Billboard 和半透物体需要混合光栅化和光追阴影
  • 体积雾等依赖 CSM 的特性需要特殊处理

致谢：

感谢库洛游戏《鸣潮》项目组的全体同事，正是团队的协作才成就了这次技术突破。

如果您对虚幻引擎的光追技术感兴趣，或者正在开发类似的开放世界项目，欢迎加入文首的 UE5 技术交流群，与更多开发者交流实战经验。

本文基于 UFSH2025 技术分享整理，由 AI 辅助生成。

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