Enhance your app with Metal ray tracing

ハイライト

メタル レイ トレーシングには、レンダー パイプラインから直接レイを放出する (コンピューティング パスは必要ありません)、インライン交差のセクター間オブジェクトの代わりに交差クエリを実行する、プロダクション レベルのレンダリングをサポートするモーション ブラーと拡張された制限という 3 つの新しい機能が追加されます。

主要内容

反射や影などのレイ トレーシング効果をレンダリングに追加したいと考えています。昨年の API では、追加のコンピューティング パスを作成し、G バッファ データをメモリに書き込み、ライト トレースのためにそれを読み取る必要がありました。これにより、メモリ帯域幅のオーバーヘッドが増加し、レンダリング パイプラインが中断されます。

今年の Metal では、レンダー パスを離れることなく、レンダー パイプラインから直接レイを放出できるようになります。

詳細

レンダーパイプラインからレイを放出する

（02:21）

昨年のワークフロー: レンダー パス → コンピューティング パス (レイ トレーシング) → 別のレンダー パスを開く必要がある場合があります。中間データはメモリ内でやり取りされます。

今年のワークフロー: レンダー パス内で直接ライトを放射し、中間データはタイル メモリに残ります。

設定方法：

// 交差関数の定義
[[intersection(triangle, triangle_data, instancing)]]
bool sphereIntersection(...)

// レンダーパイプライン記述子のリンク関数
let linkedFunctions = MTLLinkedFunctions()
linkedFunctions.functions = ["sphereIntersection"]
renderPipelineDescriptor.fragmentLinkedFunctions = linkedFunctions

// intersection function table を作成
let functionTable = renderPipelineState.makeIntersectionFunctionTable(
    descriptor: tableDescriptor,
    stage: .fragment
)

// 填充 table
let functionHandle = renderPipelineState.functionHandle(
    name: "sphereIntersection",
    stage: .fragment
)
functionTable.setFunction(functionHandle, index: 0)

（04:48）

キーポイント:

• リンクされた関数がレンダー パイプラインのフラグメント ステージに追加されました
• makeIntersectionFunctionTable新しいstageパラメータ
• function handle 也是 stage-specific
• レンダーエンコーダにバインドされたバッファインデックス

フラグメント シェーダーで光線を放出します。

fragment float4 rayTracedFragment(...) {
    // バインド加速構造体と交差関数テーブル
    intersector<instancing, triangle_data> intersector;
    intersector.set_acceleration_structure(accelerationStructure);
    intersector.set_intersection_function_table(intersectionFunctionTable);

    // 光を発する
    ray ray;
    ray.origin = worldPosition;
    ray.direction = reflect(viewDirection, normal);

    auto intersection = intersector.intersect(ray, primitiveAccelerationStructure);

    // 用交点结果着色
    return shadeIntersection(intersection);
}

（05:57）

キーポイント:

• アクセラレーション構造と関数テーブルの両方がレンダー エンコーダーにバインドされています
• shader 中使用方式和 compute kernel 相同
• タイル メモリの最適化を使用すると、G バッファの書き込みを回避できます。

交差クエリ: より柔軟なレイ トラバーサル

（07:23）

昨年のセクター間オブジェクトは、完全なトラバーサル ロジックをカプセル化しました。単純なカスタム交差 (アルファ テストなど) の場合、完全な交差関数を作成すると重すぎる可能性があります。

交差クエリを使用すると、シェーダー内でトラバーサル プロセスをインラインで制御できます。

// 用 intersection query 做 alpha test
intersection_query<instancing, triangle_data> query;
query.reset(ray, accelerationStructure, intersectionFunctionTable);

while (query.next()) {
    switch (query.get_candidate_type()) {
        case intersection_query::candidate_type::triangle: {
            // 三角交差点情報の取得
            float2 barycentrics = query.get_candidate_triangle_barycentric_coord();
            float distance = query.get_candidate_ray_distance();

            // 采样 alpha texture
            float alpha = sampleAlphaTexture(barycentrics, distance);

            // アルファ テストに合格した場合は、交差を送信します。
            if (alpha > 0.5) {
                query.commit_triangle_intersection();
            }
            break;
        }
        default:
            break;
    }
}

// 最終交点を取得する
if (query.get_committed_intersection_type() == ...)

（10:36）

キーポイント:

• query.next()すべての候補交差点を横断する
• get_candidate_type()交差点の種類を決定する
• 自定义逻辑决定是否 commit_triangle_intersection()
• トラバース後のクエリget_committed_intersection_type()

インターセクターまたは交差クエリを選択します。

シナリオ	推奨されるソリューション
既存のセクター間コードがある	引き続きインターセクター
他の API からクエリ コードを移植する	交差クエリを使用する
简单自定义求交（如 alpha test）	intersection query
复杂自定义求交逻辑	intersector
パフォーマンス重視、比較する必要があります	両方試してみてください

（12:21）

User Instance ID 和 Instance Transform

（13:52）

新しい API を使用すると、インスタンスごとにカスタム ID を指定し、交差部分でインスタンスの変換行列を読み取ることができます。

// ユーザーインスタンスIDの設定
let instanceDescriptor = MTLAccelerationStructureMotionInstanceDescriptor()
instanceDescriptor.userID = 42 // 自定义值
instanceDescriptor.transformationMatrix = transform

// 交差関数の読み込み
uint userID = intersection.user_instance_id;
float4x4 transform = intersection.instance_transform;

（14:48）

キーポイント:

• user_instance_id 是 32 位自定义值
• 材料テーブルのインデックス作成とカスタム データのエンコードに使用可能
• instance_transformインスタンスの変換行列を直接読み取る
• 外部マッピング テーブルを自分で保守する必要はありません

拡張された制限: より大きなシーン

（18:29）

実稼働グレードのシナリオは、デフォルトのアクセラレーション構造の制限を超える可能性があります。拡張制限モードでは、次の上限が追加されます。

• primitive 数量
• geometry 数量
• instance 数量
• mask 大小

有効にする方法:

// 加速構造を構築するときに有効になります
let descriptor = MTLPrimitiveAccelerationStructureDescriptor()
descriptor.usage = .extendedLimits

// shader 内でマーク
intersector<extended_limits, instancing> intersector;

（19:18）

キーポイント:

• extended limits 可能影响性能
• 必要な場合のみ有効にする
• 加速構造と交差点の両方をマークする必要があります

Motion Blur：运动模糊

（19:39）

実際のカメラの露出は瞬間的なものではありません。露光中に物体が動くとブラーが発生します。 Metal は、レイ トレーシングでのこのエフェクトのシミュレーションをサポートするようになりました。

原理: 各レイは時間値をランダムにサンプリングし、メタルは対応する時点のシーン状態で交差を実行します。

// ランダムな時間値を生成（露出間隔内）
float time = randomInRange(exposureStart, exposureEnd);

// 時と光を共に交差点へ
ray.time = time;
auto intersection = intersector.intersect(ray, accelerationStructure);

（22:38）

2 つのアニメーションがサポートされています。

インスタンス モーション: オブジェクト全体の剛体変形。低コストで翻訳・回転に適しています。

// キーフレーム変換マトリックスの提供
let motionDescriptor = MTLAccelerationStructureMotionInstanceDescriptor()
motionDescriptor.motionTransformsStartIndex = 0
motionDescriptor.motionTransformsCount = 2

プリミティブ モーション: 各頂点は独立して動きます。コストが高く、変形アニメーション（キャラクタースキニングなど）に適しています。

// 各キーフレームに頂点バッファを提供する
let keyframeData = MTLMotionKeyframeData(buffer: vertexBuffer, offset: 0)
let geometryDescriptor = MTLMotionTriangleGeometryDescriptor()
geometryDescriptor.vertexBuffers = [keyframeData0, keyframeData1]

（25:56）

キーポイント:

• instance motion 比 primitive motion 快
• 両方のアニメーションを同時に使用できます
• メタルはキーフレーム間を自動的に補間します
• シェーダー内のマークinstance_motionまたはprimitive_motion

重要ポイント

1. ライト トレース反射をレンダー パイプラインから直接実行します。タイル メモリの最適化を利用して、コンピューティング パスと G バッファーの間を行き来する必要がなくなりました。入口API：renderPipelineDescriptor.fragmentLinkedFunctions + intersector in fragment shader。

2. 交差クエリを使用してアルファ テストを実行します。数行のコードで完全な交差関数を置き換えることができ、単純なカスタム交差に適しています。入口API：intersection_query + commit_triangle_intersection()。

3. ユーザー インスタンス ID を使用したマテリアル検索の簡素化。マテリアル インデックスをインスタンス ID に直接エンコードし、交差部分から直接読み取ります。入口API：MTLAccelerationStructureMotionInstanceDescriptor.userID。

4. プロダクション レンダリングの拡張制限を有効にします。大規模なシーンには、より大きなアクセラレーション構造の制約が必要になります。入口API：descriptor.usage = .extendedLimits。

5. モーション ブラーを使用してリアリズムを高めます。各レイはランダムな時間値をサンプリングし、Metal が自動的に補間を処理します。入口API：ray.time + instance_motion/primitive_motion tag。

関連セッション

• Explore hybrid rendering with Metal ray tracing— ライトトレースとラスタライゼーションの混合レンダリング
• Optimize high-end games for Apple GPUs— Apple GPU TBDR アーキテクチャ ゲームの最適化
• Discover Metal debugging, profiling, and asset creation tools — Xcode 13 の Metal デバッグとパフォーマンス分析ツール