作业六：SAH加速

这篇文章主要讲解表面积启发式(Surface Area Heuristic, SAH)策略在构建和遍历边界体层次结构（Bounding Volume Hierarchy, BVH）中的应用。文章的流程如下：

先编写一个轮子：包围盒体积光线求交算法。然后遍历场景中的所有包围盒。然后讲解传统BVH的构建，最后引出本文重点：SAH。

使用包围盒体积优化光线求交

框架中的包围盒仅用了两个三维坐标来表示，分别是 pMin 和 pMax 。

这两个点在对角上，正好与6个面相接。因此，两个面两个面组合，用简化公式（二维）即可计算与平面的相交时间 t 。

简化公式如下：

tx=p′x−oxdxty=p′y−oydytz=p′z−ozdzt_x=\frac{\mathbf{p}^{\prime}{ }_x-\mathbf{o}_x}{\mathbf{d}_x}\\ t_y=\frac{\mathbf{p}^{\prime}{ }_y-\mathbf{o}_y}{\mathbf{d}_y}\\ t_z=\frac{\mathbf{p}^{\prime}{ }_z-\mathbf{o}_z}{\mathbf{d}_z}

首先计算射线在每个方向（x, y, z）上与边界盒最小点和最大点的交点所对应的参数值 t1, t2。

Vector3f t1 = (pMin - ray.origin) * invDir;
Vector3f t2 = (pMax - ray.origin) * invDir;

然后从 t1, t2 的各个分量中找出最大和最小的，然后分别写到 tMax, tMin 。

Vector3f tMin = Vector3f::Min(t1, t2);
Vector3f tMax = Vector3f::Max(t1, t2);

我们知道，进入AABB的时间要找最大，出去AABB的时间要找最小的。

tEnter = std::max(tMin.x, std::max(tMin.y, tMin.z));
tExit = std::min(tMax.x, std::min(tMax.y, tMax.z));

并且，射线是否与边界盒相交，需要满足 t_enter < t_exit && t_exit >= 0 。

也就是说，在这一段程序里我们已知包围体积AABB的两个顶点坐标 pMin 和 pMax ，并且传入了一条光线 ray 和光线的方向向量的倒数 invDir 。最终即可判定光线是否会穿过AABB体积。

应用BVH加速模型

我们可以直接使用刚才我们构建了的 IntersectP 函数，判断光线与场景中所有体积盒子的求交情况。

按照惯例，先看BVH.hpp中对于 BVHBuildNode 的的构造：

struct BVHBuildNode {
    Bounds3 bounds;
    BVHBuildNode *left;
    BVHBuildNode *right;
    Object* object;
    ......

一个BVH节点包含了包围盒体积的信息 bounds ，节点的左右孩子，还有当前包围盒体积里面的物体 object 。

函数传入的参数：

  • BVHBuildNode* node ：当前BVH节点

  • const Ray& ray ：当前需要判断的光线

我们现在要通过遍历边界体层次结构（Bounding Volume Hierarchy，简称BVH）来找到射线与三维对象（可能是三角形或其他形状）的交点。

  • 首先判断当前节点 node 是否为空，并且判断传入的光线 ray 与当前节点的边界盒（即BVH节点的边界）是否有交点。如果节点是空且没有交点，那么函数直接返回一个默认的Intersection实例。这里的 Intersection 对象没有包含任何实际的交点信息。

  • 否则，当前节点则是叶子节点或者非终端节点的所有孩子都不可能与光线有交点。那么进入下面的流程。

    • 如果是叶子节点，那么函数会直接计算射线与该节点所包含的实际几何对象的交点，然后返回结果。在这种情况下，node->object->getIntersection(ray)会调用光线-三角形求交方法对当前节点下的所有物体求交。

    • 如果不是叶子节点，那么函数会递归地计算射线与该节点的左子节点和右子节点的交点，返回两个值： hit1, hit2 。

  • 然后，函数会返回离射线起点更近的那个交点作为结果。（ hit1.distance < hit2.distance）

Intersection BVHAccel::getIntersection(BVHBuildNode* node, const Ray& ray) const{
    Intersection intersection;
    if (node == nullptr || !node->bounds.IntersectP(ray, ray.direction_inv, {0,0,0}))
        return intersection;
    if (node->left == nullptr && node->right == nullptr)
        return node->object->getIntersection(ray);
    Intersection hit1 = getIntersection(node->left, ray);
    Intersection hit2 = getIntersection(node->right, ray);
    return  hit1.distance < hit2.distance ? hit1 : hit2;
}

BVH的包围盒划分过程

在深入SAH之前，我们先了解如何使用传统的方法构建BVH，以及这种方法的优势与不足，借此引出SAH策略。

在我的另一篇文章中从宏观的角度简单地概括了BVH的构建流程。

这里从代码的角度讲解：

  1. 在BVH.cpp的 BVHAccel 函数中创建了 BVH 数据结构的根节点 root 。

    并且函数会递归地构建一整颗 BVH 树。

    root = recursiveBuild(primitives);

  2. 在 recursiveBuild 函数中，首先会创建一个新的BVHBuildNode对象，并计算给定的所有物体的联合边界（Union Bound），即包含所有物体的最小边界盒。

    1. 如果该边界盒的对象（object）数量为1，则创建一个叶子节点，其中包含这个唯一的物体 object 和它的边界 bounds ，然后返回这个节点。

      if (objects.size() == 1) {
    // Create leaf _BVHBuildNode_
    node->bounds = objects[0]->getBounds();
    node->object = objects[0];
    node->left = nullptr;
    node->right = nullptr;
    return node;
}

    2. 如果该边界盒的对象（object）数量为2，则创建两个叶子节点，其中包含这个唯一的物体 object 和它的边界 bounds ，然后返回这个节点。

      else if (objects.size() == 2) {
    node->left = recursiveBuild(std::vector{objects[0]});
    node->right = recursiveBuild(std::vector{objects[1]});
    node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds);
    return node;
}

    3. 如果边界盒的对象数量大于两个，则继续递归。具体递归方式如下：

  3. 首先计算所有物体质心（中心点）的联合边界。

    for (int i = 0; i < objects.size(); ++i)
    centroidBounds = Union(centroidBounds, objects[i]->getBounds().Centroid());

  4. 然后找到这个边界在哪个维度（x, y, 或 z）上最大。

    int dim = centroidBounds.maxExtent();

  5. 在此基础上，根据这个维度的质心坐标对所有物体进行排序。

    switch (dim) {
    case 0: ...
    case 1: ...
    case 2: ...
}

  6. 在排序后的物体列表中找到中间位置，并将列表分成两半。然后，对每一半的物体递归地调用这个函数，分别构建左子节点和右子节点。

    auto middling = objects.begin() + (objects.size() / 2);
...
auto leftshapes = std::vector<Object*>(beginning, middling);
auto rightshapes = std::vector<Object*>(middling, ending);

  7. 最后，计算左子节点和右子节点的联合边界，即包含这两个子节点的最小边界盒，然后返回这个节点。

    node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds);

除此之外还有一些技术细节需要补充：

  • Union函数的实现：传入两个边界盒（或一个盒子和一个点），返回一个能包围他们的最小的新的边界盒。

  • 每一个物体都有一个包围盒属性，可以调用每个物体的getBounds()函数来获取。构建BVH结构的过程就是创建一个层次结构的包围盒，其中每个节点的包围盒包含其所有子节点的包围盒。

  • 框架中BVH.cpp文件的第85行 assert(objects.size() == (leftshapes.size() + rightshapes.size())); ，用于验证程序的某个条件是否为真。如果该条件为假，assert会发送一个错误消息，并终止程序的执行。这里实际作用是检查objects的大小是否等于leftshapes和rightshapes的大小之和。也就是说，检查原始的物体集合objects是否被正确地分割为两个子集leftshapes和rightshapes。

  • 在最大的维度对物体进行排序排序是通过std::sort函数完成。这个函数传入 objects.begin() 和 objects.end() ，表示整个 objects 列表，和一个比较函数。比较函数是一个lambda表达式，它接受两个物体，然后返回一个布尔值，表示第一个物体是否应该在第二个物体之前。第三个参数是告诉 sort 函数如何进行排序，具体实现原理自行查阅百度。

使用SAH表面积启发式策略构建和遍历BVH

为什么会有SAH

  • SAH可以使得光线-物体相交测试的预期次数最小。

Bounding Volume Hierarchy (BVH) 是一种常见的几何体组织和索引技术，被广泛应用于光线追踪等需要大量物体相交测试的图形应用中。但是构建BVH的方式对效率的影响非常的大，尤其是复杂的场景。因此，为了改进BVH的效率，研究人员提出了各种方法优化BVH，其中一种方法就是Surface Area Heuristic（SAH）。

SAH是啥

  • SAH是一种基于空间的划分。

首先先讲解闫老师提供的资料。链接🔗。

概率估计

如果对象A位于对象B内部，那么打中对象B的任意射线也打中对象A的概率可以近似为它们的表面积的比值，即 $\frac{S_a}{S_b}$。

这是基于两个假设：

  • 射线的入射方向是均匀分布的，即所有方向都同样可能

  • 射线不会被遮挡

这个原理在SAH中被用来估计射线和各个包围盒相交的概率。通过比较不同分割方式的预期成本（即射线和包围盒相交的概率乘以相交测试的成本），我们就可以选择最优的分割方式高效地构建BVH以提高光线追踪的效率。

实现BVH树的划分

在实现BVH树的划分时，通常会选择轴对齐的空间划分。对于给定的轴，如上图所示的一根横向的轴，我们在该轴上的划分平面。

对于有N个物体的节点，为什么有2N-2个可能的划分位置呢？

这是因为，对于每一个物体，我们都可以选择在它的质心的左侧或右侧作为划分平面，这就有2个可能的位置，换句话说，就是每一个物体都有一个 x_min 和 x_max 。但是，对于最左边和最右边的物体，我们不能选择在它们外侧的位置作为划分平面，因为这样会导致一个子包围盒为空。所以，对于最左边和最右边的物体，我们只能选择在它们的内侧作为划分平面。因此，总的可能的划分位置就是2N-2。上面图片已经非常清楚了。

尽管有这么多可能的划分位置，但在实际实现时，我们不需要真的尝试所有的划分位置。因为，对于大多数情况，我们可以通过一些启发式的方法（如SAH）来快速找到一个近似最优的划分位置。

分桶方法高效分区

这里使用的是基于分桶（bucketing）的方法。

代码段会对每个轴 (x, y, z) 进行操作。

  • 对于每个轴，首先初始化一个桶（bucket）：创建一个大小为B的桶数组。B通常比较小，例如小于32。

  • 然后计算每一个物体p的质心（centroid），看看这个物体落在哪个桶里。

    • 将物体p的包围盒与桶b的包围盒做并集操作，也就是扩展桶b的包围盒，使其能够包含物体p。

    • 增加桶b中的物体计数。

  • 对于每个可能的划分平面（总共有B-1个），使用表面积启发式（SAH）公式评估其成本。

  • 执行成本最低的划分（如果找不到有效的划分，就将当前节点设为叶子节点）。

原本需要对所有物体的每一种可能划分进行评估，现在只需要对B-1个划分进行评估。因此，分桶方法可以在构建BVH时，有效地降低计算复杂度，提高算法的效率。

花费模型

回到最上面的ppt。

SAH定义了一个花费模型，用于估算射线-对象相交的计算成本。这个模型假设，当射线穿过一个节点（或空间区域）时，将产生一定的花费（表示为 $C$ ）。这个花费与光线穿过子节点的概率 $p_x$ 成正比。另外，也需要考虑额外的花费（表示为 $C_{trav}$ ），比如计算射线与包围盒的相交等。

划分策略：SAH的目标是找到一种空间划分方式，使得整体花费最小。

假设有A个物体被划分到x子节点，B个物体被划分到y子节点，且假设穿过子节点的概率p与该节点的包围盒大小成正比。那么，空间划分的总花费C可以近似为：

C=Ctrav +SASNNACisect +SBSNNBCisect C=C_{\text {trav }}+\frac{S_A}{S_N} N_A C_{\text {isect }}+\frac{S_B}{S_N} N_B C_{\text {isect }}

其中， $S_A$ 、 $S_B$ 分别表示x、y子节点的表面积， $S_N$ 表示整个节点的表面积， $N_A$ 、$N_B$ 分别表示x、y子节点中的物体数量， $C_{\text {isect }}$ 表示射线与物体相交的计算成本。

空间划分：为了实现上述的优化目标，利用桶分类即可加速分区。

实际代码

BVHBuildNode *BVHAccel::recursiveBuild(std::vector<Object *> objects) {
    BVHBuildNode *node = new BVHBuildNode();

    // Compute bounds of all primitives in BVH node
    Bounds3 bounds;
    for (int i = 0; i < objects.size(); ++i)
        bounds = Union(bounds, objects[i]->getBounds());
    if (objects.size() == 1) {
        // Create leaf _BVHBuildNode_
        node->bounds = objects[0]->getBounds();
        node->object = objects[0];
        node->left = nullptr;
        node->right = nullptr;
        return node;
    } else if (objects.size() == 2) {
        node->left = recursiveBuild(std::vector{objects[0]});
        node->right = recursiveBuild(std::vector{objects[1]});

        node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds);
        return node;
    } else {
        Bounds3 centroidBounds;
        for (int i = 0; i < objects.size(); ++i)
            centroidBounds =
                    Union(centroidBounds, objects[i]->getBounds().Centroid());
        int maxExtentDimension = centroidBounds.maxExtent();
        switch (SplitMethod::SAH) {
            case SplitMethod::NAIVE: {

                switch (maxExtentDimension) {
                    case 0:
                        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
                            return f1->getBounds().Centroid().x <
                                   f2->getBounds().Centroid().x;
                        });
                        break;
                    case 1:
                        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
                            return f1->getBounds().Centroid().y <
                                   f2->getBounds().Centroid().y;
                        });
                        break;
                    case 2:
                        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
                            return f1->getBounds().Centroid().z <
                                   f2->getBounds().Centroid().z;
                        });
                        break;
                }

                auto beginning = objects.begin();
                auto middling = objects.begin() + (objects.size() / 2);
                auto ending = objects.end();

                auto leftshapes = std::vector<Object *>(beginning, middling);
                auto rightshapes = std::vector<Object *>(middling, ending);

                assert(objects.size() == (leftshapes.size() + rightshapes.size()));

                node->left = recursiveBuild(leftshapes);
                node->right = recursiveBuild(rightshapes);

                node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds);
                break;
            }
            case SplitMethod::SAH: {
                float totalSurfaceArea = centroidBounds.SurfaceArea();
                int bucketSize = 10;
                int optimalSplitIndex = 0;
                float minCost = std::numeric_limits<float>::infinity(); //最小花费

                // Sort objects based on their centroid along the max extent dimension
                switch (maxExtentDimension){
                    case 0:
                        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
                            return f1->getBounds().Centroid().x <
                                   f2->getBounds().Centroid().x;
                        });
                        break;
                    case 1:
                        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
                            return f1->getBounds().Centroid().y <
                                   f2->getBounds().Centroid().y;
                        });
                        break;
                    case 2:
                        std::sort(objects.begin(), objects.end(), [](auto f1, auto f2) {
                            return f1->getBounds().Centroid().z <
                                   f2->getBounds().Centroid().z;
                        });
                        break;
                }
                
                // Find the split that minimizes the SAH cost
                for (int i = 1; i < bucketSize; i++) {
                    auto beginning = objects.begin();
                    auto middling = objects.begin() + (objects.size() * i / bucketSize);
                    auto ending = objects.end();
                    auto leftshapes = std::vector<Object *>(beginning, middling);
                    auto rightshapes = std::vector<Object *>(middling, ending);
                    //求左右包围盒:
                    Bounds3 leftBounds, rightBounds;
                    for (int k = 0; k < leftshapes.size(); ++k)
                        leftBounds = Union(leftBounds, leftshapes[k]->getBounds().Centroid());
                    for (int k = 0; k < rightshapes.size(); ++k)
                        rightBounds = Union(rightBounds, rightshapes[k]->getBounds().Centroid());
                    float SA = leftBounds.SurfaceArea(); //SA
                    float SB = rightBounds.SurfaceArea(); //SB
                    float cost = 0.125 + (leftshapes.size() * SA + rightshapes.size() * SB) / totalSurfaceArea; //计算花费
                    if (cost < minCost){//如果花费更小，记录当前坐标值
                        minCost = cost;
                        optimalSplitIndex = i;
                    }
                }
                //找到optimalSplitIndex后的操作等同于BVH
                auto beginning = objects.begin();
                auto middling = objects.begin() + (objects.size() * optimalSplitIndex / bucketSize);//划分点选为当前最优桶的位置
                auto ending = objects.end();
                auto leftshapes = std::vector<Object *>(beginning, middling); //数组切分
                auto rightshapes = std::vector<Object *>(middling, ending);

                assert(objects.size() == (leftshapes.size() + rightshapes.size()));

                node->left = recursiveBuild(leftshapes); //左右开始递归
                node->right = recursiveBuild(rightshapes);
                node->bounds = Union(node->left->bounds, node->right->bounds);//返回pMin pMax构成大包围盒

            }
        }
    }
    return node;
}

附录 1.

糟糕的情况

  • 左边的情况：所有物体都有相同的质心。这种情况可能会导致树不平衡，因为所有的基元最终会在同一个分区中。在最坏的情况下，这可能导致树更像链表而不是平衡二叉树。

  • 右边的情况：所有的物体都具有相同的边界框AABB。这种情况可能会导致低效的遍历，因为与边界框相交的光线可能会访问两个分区，而不管实际与基元本身相交。

原始划分（基于边界体层次结构）vs. 空间划分（如网格、KD树）

  • 原始划分（例如：基于边界体的层次结构，BVH）：这种方式容易导致AABB重叠。但BVH的优势是，更容易构建，因为它们只需要基于原始数据进行划分，而不是基于空间。在某些情况下，BVH可能比其他类型的加速结构具有更好的性能。

  • 空间划分（例如：网格，K-D树）：这种方式将空间划分为不重叠的区域（原始数据可能存在于多个空间区域中）。空间划分通常可以提供高效的射线追踪性能，尤其是对于静态场景。然而，如果场景中的对象移动，这种类型的加速结构可能需要完全重建，这会导致效率下降。

Reference

  1. Fundamentals of Computer Graphics 4th

  2. GAMES101 Lingqi Yan

  3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/475966001

  4. http://15462.courses.cs.cmu.edu/fall2015/lecture/acceleration/slide_024

  5. https://cs184.eecs.berkeley.edu/sp23/lecture/9-90/intro-to-ray-tracing-and-acceler

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