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Wwise SDK 2024.1.0
射线追踪引擎几何构造指南

简介

“射线追踪”是一种可以高效地估算 N 阶反射和衍射的技术。它的基本理念是从听者端随机地投射射线，并通过一系列反射和衍射来追踪其路径。这种技术是在图形渲染技术的基础上演化而来的。最高反射阶数 [1-4] 和最高衍射阶数 [1-8] 值在 AkSpatialAudio.h 的 AkSpatialAudioInitSettings 结构中定义。有关更多详细信息，请参阅 AkSpatialAudioInitSettings 。

概念

  • 初级射线：直接从听者端投射的射线
  • 反射：声波被表面反弹
  • 衍射：声波绕过物体曲线传播
  • 路径：从听者到发声体的一系列反射/衍射

设置

为了调节 Spatial Audio CPU 的性能和品质，射线追踪引擎使用了多项参数。有关 Spatial Audio 设置的详细说明，请参阅 AkSpatialAudioInitSettings()。

CPU 限制模式

初级射线数调节起来比较麻烦，具体要看场景的复杂性（如三角形数量、衍射边缘数量）和发声体数量。在启用 CPU Limit Mode 时，射线追踪引擎会自动调节初级射线数量，以确保 CPU 使用率维持在用户定义的目标值上下。该模式可最大限度地避免 CPU 用量达到峰值，不过并没有办法完全消除短时和瞬时峰值。 通过设置较高的目标值，可提升品质（增加找到的反射和衍射路径数），但性能会有所下降。通过设置降低的目标值，可提升性能，但品质会有所下降。 在启用 CPU Limit Mode 时，初级射线数的上限为用户定义的初级射线数（参见 AkSpatialAudioInitSettings 章节）。在初级射线数降至 0 时，射线追踪引擎停止扫描环境。不过，仍会验证和更新现有声音传播路径。这时射线追踪引擎仍会消耗 CPU 资源。 注意，CPU Limit Mode 不会对 Portal 射线追踪产生显著影响。Portal 射线追踪会加重 CPU 负荷并可能因此强制 CPU Limit Mode 暂时减少初级射线数。

Path Sorting

Reflection path validation can become expensive when the total number of rays and/or emitters is high. However, in most cases, a few reflection paths are relevant to the perception of early reflections. Path sorting is an experimental feature that attempts to validate a user-specified number of reflection paths (see AkSpatialAudioInitSettings()). Path sorting can significantly reduce the CPU load.

Path Sorting Overview

In the first phase, path sorting estimates the cost (length and diffraction) of each potential reflection path based on the results of the raytracing. The paths are then processed in ascending order until a maximum of n (the user-specified number of reflection paths) paths are validated. To reduce flickering (switching between paths), the previous paths are also validated. In the second phase, the best n paths are selected from the current and previous validated paths based on their final real costs.

Path Sorting Overview


Path Sorting Limitations

The selection of the n best reflection paths is global to all emitters. This means that, depending on the user-specified number of paths and the number of emitters, some emitters might not have any associated reflection paths. The cost in the first phase is an estimate of the real cost, so in some cases the selected paths are not the best overall paths, and some flickering might still occur.

负荷均衡

借助负荷均衡，可将 Spatial Audio 任务计算分摊到多个帧，从而尽量避免 CPU 用量达到峰值。Spatial Audio 会执行不同类型的任务（如射线投射和路径验证）来计算声音传播路径（反射和衍射）。在每次需要执行其中某项任务时，都会将其放到优先级队列中等待进一步处理而非马上执行。随后，会在负荷均衡分摊设置中指定的帧数内执行队列中的任务。

负荷均衡用例

有多种方式可以调节 Spatial Audio 性能：应用 CPU Limit、更改反射阶数、启用或禁用衍射和对反射的衍射、调节振动阈值设置。您可以将负荷均衡与其他设置结合来实现品质和性能之间的理想平衡。

虽然在任何场景中都可以使用负荷均衡，但其最适合涉及多个活跃发声体的情形。负荷均衡行为可通过 AkSpatialAudioInitSettings::uLoadBalancingSpread 设置来控制（参见 AkSpatialAudioInitSettings 章节）。分摊到 1 帧相当于禁用功能，因为每项任务都会立即执行。数值越大，CPU 性能越高，但可能会导致结果不准确。比如，对于 1024 个样本的帧缓冲区分摊到 4 帧（约 21 ms/48 kHz），会在 84 ms 的时段内执行任务。在将分摊值设在 10 以下时，品质应当不会受到明显影响。

负荷均衡示例

以下示例对相同场景下采用三个不同分摊值时的性能进行了对比：1（禁用）、4 和 10。该场景中包含 944 个三角形和 649 个衍射边缘。发声体数量为 4。反射阶数设为 4，同时启用了衍射。

城市环境中设有多个发声体

下表显示了不同负荷均衡值对场景的影响。

SpreadAverage CPU %Max CPU %
Disabled 4.8 52.76
4 3.16 23.26
10 1.71 10.22


在禁用负荷均衡时，一帧内的发声体数可多达 4 个，导致 CPU 峰值过高。


在将分摊值设为 4 时，最多会在给定帧内处理 2 个发声体，可以降低 CPU 峰值。


在将分摊值设为 10 时，只会在给定帧内处理 1 个发声体，可以进一步降低 CPU 峰值。


负荷均衡常见问题解答

  • 负荷均衡会导致出现延迟吗？

    不一定。在更新路径信息上会有延迟，但不会增加音频信号的延迟。比如，在下次更新之前可能会使用相同的射线。仍会在每帧计算路径，但是不会每帧都验证。也就是说，有些路径可能会不准确。比如，镜面反射位置可能会不太精准。

  • 负荷均衡会提升 CPU 的平均性能吗？

    虽然负荷均衡主要侧重于降低 CPU 峰值，不过也会降低 CPU 处理资源的平均用量，因为它会阻止同一类型的任务多次出现在队列中。若任务在队列中，则须先执行完该任务，然后才能将同一类型的另一任务添加到队列中。

  • 在只有一个发声体时，负荷均衡会提升 CPU 性能吗？

    不会有显著提升。路径验证是占用 CPU 处理资源最多的 Spatial Audio 任务。鉴于每个发声体都会执行一项路径验证任务，所以负荷均衡更适合涉及多个发声体的情形。不过，它可以避免进行重复计算。这样会略微提升只有一个发声体时的性能。

负荷均衡详述

在每次需要执行 Spatial Audio 任务时，都会将其放到优先级队列中等待进一步处理而非马上执行。倘若任务已经在队列中，不会再次将其放到队列中。这样可以避免进行重复计算，从而降低 CPU 用量。在每一帧，都会根据队列中的元素数和负荷均衡分摊设置来计算所要处理的任务数 (N)。随后，会从队列中调取前 N 项优先任务并予以执行。

总的来说，任务优先级由任务的创建/插入时间决定：先执行较早的任务。对于有些任务（如路径验证），优先级的设定可能会所有不同。在每次发声体变为活跃状态时，都会提高路径验证任务的优先级，来强制执行对新路径的验证。这样可以避免在创建路径时产生延迟。

若尚未对任务做出安排，会先将其放到队列中。


在每一帧，都会从队列中调取 N 项任务来执行。


队列中有 7 个元素，负荷均衡分摊值被设为了 3。此帧内要执行的任务数 (N) 为 CEIL(7/3) = 3。任务 T1、T2 和 T3 将在同一帧内执行。下一帧会重复这一流程。

限制

在针对射线追踪引擎定义几何构造时，存在一些限制。这些限制会对 CPU 性能和应用效果产生影响。

几何构造可见角度

在三角形小于采样密度时，射线追踪引擎有可能会找不到它。

几何构造的可见角度 α 是指听者可从怎样的角度看到几何构造。两条射线之间的平均角度 γ 则会随着初级射线数变化。α 和 γ 之间的关系会影响找到与物体的交点（反射点或衍射点）的可能性。若 γ 小于 α，则找到交点的可能性较高。若 γ 大于 α，则找到交点的可能性较低。

在本例中，γ 小于 α。因此，找到与物体的交点的可能性较高。
在本例中，γ 大于 α。因此，找到与物体的交点的可能性较低。

三角形数

几何构造中包含的三角形数会直接影响引擎的 CPU 用量：三角形越多，CPU 用量就越高。这是因为需要对物体进行更多的相交检测。通常，声音传播并不需要太过精细的几何构造。在不影响应用效果的前提下，可通过适当减少三角形数来提升 CPU 性能。

此处的平面由 4 个三角形组成：需要针对每个三角形对射线进行相交检测。

几何构造形状

有些几何构造形状会比较不好处理。通常，像平面和箱体这样的几何构造处理起来较为简单，在声音传播方面的应用效果也最好。球体和圆柱体则容易出现错误。这是因为球体和圆柱体会涉及到曲率的问题。有些衍射边缘可能会无法找到，从而导致部分衍射路径丢失。大部分情况下会借助各种启发式算法来克服这一问题。通过增加初级射线数或简化几何构造也可解决该问题。

在此情形下，我希望找到从 L 经过 E2、E3、E4 到 E 的衍射路径。然而 E1 和 E2 之间的表面太小了，所以很难找到所需交点来生成衍射边缘 E2。在这种情况下，比较有可能找到跟 E1 的交点。但是，L 不在 E1 的阴影区。这样算法就很难从 E2 找到衍射路径。

性能调节

下表阐述了如何针对不同用例来调节相应参数。

故障可能的解决方案
Spatial Audio - General CPU 存在问题
  • 降低反射阶数：在大多数情况下，一阶和二阶反射就足够了。
  • 在非必要时禁用衍射或对衍射的反射：衍射的计算会占用大量 CPU 资源。在可能的情况下减少场景中衍射边缘的数量，而不是完全禁用衍射。
  • 使用 Room 和 Portal：若场景由相互独立的部分组成，可考虑使用 Room 和 Portal 将其分隔。
  • Increase the motion threshold: small values might validate reflection and diffraction paths too often. 可考虑在保证结果品质的情况下将此项设为尽可能高的值。Low values might introduce some inaccuracy in the reflection and diffraction paths. Some examples of inaccuracy: reflections might not be perfectly specular, some paths might be discovered with some delay, some invalid paths might be removed later than expected.
  • 在可能的情况下减少三角形数量：若对象的细节层次 (LOD) 较高，不仅会增加 CPU 用量，而且会降低整体品质。
  • Decrease the maximum number of reflection paths: validation of a high number of paths increases CPU cost. Low values might affect the overall quality.
Spatial Audio - Raytracing CPU is high
  • Decrease the number of primary rays: values as low as 5 can still produce good results.
  • 启用 CPU 限制 ( CPU 限制模式 )：只需设置需要的 CPU 百分比，便可自动调节初级射线数量，来将 CPU 用量控制在规定值附近。注意，这并不会对 Portal 射线追踪产生影响。
Spatial Audio - Path Validation CPU is high and there is only one emitter
  • Disable diffraction or reflection on diffraction if not needed: computing diffraction is CPU intensive. 在可能的情况下减少场景中衍射边缘的数量，而不是完全禁用衍射。
  • Decrease the maximum number of reflection paths: validation of a high number of paths increases CPU cost. Low values might affect the overall quality.
Spatial Audio - Path Validation CPU is high and there are multiple emitters
  • Enable load balancing: start with a value lower than 10 and adjust if necessary. 在将值设在 10 以下时，品质应当不会受到明显影响。
  • Decrease the maximum number of reflection paths: validation of a high number of paths increases CPU cost. Low values might affect the overall quality.
Spatial Audio - CPU is high (path validation and ray tracing are both involved) and there is only one emitter
  • Enable load balancing: use a value of 2. 这样可将对射线追踪和路径验证的计算分摊到不同的帧，进而降低峰值 CPU 用量。设置更大的值并不会带来太大帮助。
  • 增大振动阈值：在这种情况下，主要会降低平均 CPU 用量（相较于峰值 CPU 用量）。
  • Decrease the maximum number of reflection paths: validation of a high number of paths increases CPU cost. Low values might affect the overall quality.

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