Vulkan Ray Tracing Acceleration Structure

13 Oct 2026

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加速结构（AS）通过空间层次组织场景，减少射线求交测试。Vulkan 将其分为两层：BLAS 组织几何，TLAS 组织实例。

示例使用 Vulkan-Hpp，省略初始化和错误检查。createBuffer()、destroyBuffer()、submitAndWait() 为应用封装；buffer 封装负责分配、绑定和对齐，提供 .buffer 与 .address。

使用 C++20 designated initializer，按成员声明顺序初始化。首次包含 Vulkan-Hpp 前关闭构造函数：

#define VULKAN_HPP_NO_CONSTRUCTORS
#include <vulkan/vulkan.hpp>

1. BLAS 与 TLAS

一个 BLAS 可以包含多个 geometry。TLAS 的每个 instance 引用一个 BLAS，并指定变换、可见性 mask 等信息。

TLAS
├── instance 0：BLAS A，变换 T0
├── instance 1：BLAS A，变换 T1
└── instance 2：BLAS B，变换 T2

多个实例可以共享 BLAS。只改变物体变换时处理 TLAS；几何形状变化时处理对应 BLAS。下面以三角形为例。

2. 构建 BLAS

流程：描述几何 → 查询大小 → 分配资源 → 执行构建。

描述输入几何

vk::AccelerationStructureGeometryKHR 描述几何类型，以及顶点、索引的地址和格式。

三角形几何的输入数据与描述结构

vk::AccelerationStructureGeometryTrianglesDataKHR triangles{
    .vertexFormat  = desc.vertex_format,
    .vertexData    = {.deviceAddress = vertex_buffer.address + vertex_offset},
    .vertexStride  = desc.vertex_stride,
    .maxVertex     = vertex_count - 1,
    .indexType     = desc.index_type,
    .indexData     = {.deviceAddress = index_buffer.address + index_offset},
    .transformData = {.deviceAddress = 0},  // 不提供额外几何变换，使用单位变换
};

vk::AccelerationStructureGeometryKHR geometry{
    .geometryType = vk::GeometryTypeKHR::eTriangles,
    .geometry     = {.triangles = triangles},
    .flags        = vk::GeometryFlagBitsKHR::eOpaque,
};

vk::AccelerationStructureBuildRangeInfoKHR range{
    .primitiveCount = index_count / 3,
};

示例假设索引三角形列表非空，地址已包含数据偏移。maxVertex 是最大顶点索引，vertexStride 是顶点步长（字节）。

输入 buffer 需要 eAccelerationStructureBuildInputReadOnlyKHR、eShaderDeviceAddress 及设备地址分配支持。

eOpaque 用于不透明几何；使用 any-hit 做 alpha test 时，需要检查几何、实例和射线的不透明性标志。

查询构建大小

build_info 指定 AS 类型、构建模式、优化标志和输入几何。

vk::AccelerationStructureBuildGeometryInfoKHR build_info{
    .type          = vk::AccelerationStructureTypeKHR::eBottomLevel,
    .flags         = vk::BuildAccelerationStructureFlagBitsKHR::ePreferFastTrace,
    .mode          = vk::BuildAccelerationStructureModeKHR::eBuild,
    .geometryCount = 1,
    .pGeometries   = &geometry,
};

vk::AccelerationStructureBuildSizesInfoKHR sizes_info{};
const uint32_t max_primitive_count = range.primitiveCount;
device.getAccelerationStructureBuildSizesKHR(
    vk::AccelerationStructureBuildTypeKHR::eDevice,
    &build_info, &max_primitive_count, &sizes_info);

多个 geometry 需要对应的 geometry、range 和最大图元数量数组。geometryCount 是几何数量，不是 buffer 数量。

查询返回三种大小：

字段 用途
accelerationStructureSize AS 构建结果所需的存储空间
buildScratchSize BUILD 操作所需的临时工作空间
updateScratchSize UPDATE 操作所需的临时工作空间

AS 内部布局由驱动管理。常见的构建标志选择如下：

类型 常见选择 原因
静态 BLAS ePreferFastTrace 构建少、遍历多
动态 BLAS ePreferFastBuild 几何频繁变化
TLAS ePreferFastBuild 实例通常频繁变化

实际选择取决于构建与遍历的总耗时。UPDATE 和 COMPACT 分别要求初始构建加入 eAllowUpdate、eAllowCompaction。

分配存储

auto as_buffer = createBuffer(
    sizes_info.accelerationStructureSize,
    vk::BufferUsageFlagBits::eAccelerationStructureStorageKHR |
        vk::BufferUsageFlagBits::eShaderDeviceAddress);

vk::AccelerationStructureCreateInfoKHR create_info{
    .buffer = as_buffer.buffer,
    .offset = 0,
    .size   = sizes_info.accelerationStructureSize,
    .type   = vk::AccelerationStructureTypeKHR::eBottomLevel,
};
vk::AccelerationStructureKHR blas =
    device.createAccelerationStructureKHR(create_info);

const auto scratch_alignment =
    as_properties.minAccelerationStructureScratchOffsetAlignment;
auto scratch_buffer = createBuffer(
    sizes_info.buildScratchSize,
    vk::BufferUsageFlagBits::eStorageBuffer |
        vk::BufferUsageFlagBits::eShaderDeviceAddress,
    scratch_alignment);

创建 AS 对象不等于完成构建。 AS buffer 保存结果，scratch 提供临时空间。最终 scratch 地址必须对齐；手动偏移地址时，要为偏移后的完整区间预留空间。

执行构建

BLAS 构建时的输入、scratch 与结果存储

build_info.dstAccelerationStructure = blas;
build_info.scratchData.deviceAddress = scratch_buffer.address;

const vk::AccelerationStructureBuildRangeInfoKHR* ranges[] = {&range};
// 在记录构建命令前，建立输入数据写入 -> AS 构建读取的依赖。
command_buffer.buildAccelerationStructuresKHR(1, &build_info, ranges);

// 后续使用 AS 前，还需要相应的构建写入 -> 读取依赖。
submitAndWait(command_buffer);
destroyBuffer(scratch_buffer);

命令提交并完成后才能回收 scratch。示例直接等待，实际渲染器可用 fence 或 timeline semaphore 延迟回收。

3. 构建 TLAS

TLAS 的构建流程与 BLAS 相同，输入换成 vk::AccelerationStructureInstanceKHR 数组。

TLAS 实例、变换矩阵与 BLAS 引用

描述实例

vk::AccelerationStructureInstanceKHR instance{
    .transform                              = desc.transform_matrix,
    .instanceCustomIndex                    = desc.mesh_index,
    .mask                                   = 0xFF,
    .instanceShaderBindingTableRecordOffset = 0,
    .flags = static_cast<VkGeometryInstanceFlagsKHR>(
        vk::GeometryInstanceFlagBitsKHR::eTriangleFacingCullDisable),
    .accelerationStructureReference =
        device.getAccelerationStructureDeviceAddressKHR(
            vk::AccelerationStructureDeviceAddressInfoKHR{
                .accelerationStructure = blas,
            }),
};
字段 含义
transform BLAS 局部坐标到场景坐标的 3×4 矩阵，注意存储顺序
instanceCustomIndex 应用定义的 24 位索引
mask 与射线的 cull mask 按位与，结果为 0 时跳过实例
instanceShaderBindingTableRecordOffset 命中组 SBT 索引计算中的记录偏移
accelerationStructureReference BLAS 的 AS 地址，不是 buffer 地址

将实例上传到具备 eAccelerationStructureBuildInputReadOnlyKHR 和 eShaderDeviceAddress 用途的 buffer，并完成上传同步。

描述实例数组并构建

vk::AccelerationStructureGeometryKHR instances_geometry{
    .geometryType = vk::GeometryTypeKHR::eInstances,
    .geometry = {
        .instances = {
            .arrayOfPointers = false,
            .data = {.deviceAddress = instances_buffer.address},
        },
    },
};

vk::AccelerationStructureBuildRangeInfoKHR tlas_range{
    .primitiveCount = instance_count,
};

vk::AccelerationStructureBuildGeometryInfoKHR tlas_build_info{
    .type          = vk::AccelerationStructureTypeKHR::eTopLevel,
    .flags         = vk::BuildAccelerationStructureFlagBitsKHR::ePreferFastBuild,
    .mode          = vk::BuildAccelerationStructureModeKHR::eBuild,
    .geometryCount = 1,
    .pGeometries   = &instances_geometry,
};

TLAS 的 geometryCount = 1，primitiveCount 是实例数量，arrayOfPointers = false 表示连续数组。随后查询大小、分配 TLAS 和 scratch，再执行构建。

BLAS 构建与引用它的 TLAS 构建必须建立依赖，不能放在同一次 build 调用中。构建命令规则

4. UPDATE 与重建

初始构建包含 eAllowUpdate 时，可在满足兼容条件的前提下执行 UPDATE。更新输入数据后，沿用原有 geometry、range 和构建参数：

build_info.mode = vk::BuildAccelerationStructureModeKHR::eUpdate;
build_info.srcAccelerationStructure = blas;
build_info.dstAccelerationStructure = blas;  // 原地更新
build_info.scratchData.deviceAddress = update_scratch_address;

const vk::AccelerationStructureBuildRangeInfoKHR* ranges[] = {&range};
command_buffer.buildAccelerationStructuresKHR(1, &build_info, ranges);

更新 scratch 仍需对齐，大小至少为 updateScratchSize。

场景变化 通常需要处理的层级
物体平移、旋转或缩放，几何不变 更新或重建 TLAS，复用 BLAS
顶点位置改变，三角形连接关系不变 符合限制时 UPDATE BLAS；若实例包围范围变化，再更新或重建 TLAS
三角形连接关系、图元数量或 geometry 数量改变 重新 BUILD 对应 BLAS，并处理受影响的 TLAS
实例数量改变 重新 BUILD TLAS

UPDATE 受格式、数量、拓扑和活动状态等兼容条件限制。大幅形变可能降低遍历效率，应同时评估重建成本与 trace 性能。

5. BLAS 压缩

初始构建包含 eAllowCompaction 后，可以查询压缩大小，再用 COMPACT copy 生成更紧凑的 BLAS：

构建 BLAS（ALLOW_COMPACTION）
    → 写入 compacted-size query
    → 等待并读取查询结果
    → 分配目标存储并创建新 BLAS
    → 记录 COMPACT copy
    → 完成复制并切换引用
    → 安全回收旧 BLAS 与旧存储

查询压缩后的大小

创建 eAccelerationStructureCompactedSizeKHR query pool，确保 BLAS 构建结果可见后查询：

command_buffer.resetQueryPool(compaction_query_pool, 0, 1);
command_buffer.writeAccelerationStructuresPropertiesKHR(
    1, &blas,
    vk::QueryType::eAccelerationStructureCompactedSizeKHR,
    compaction_query_pool, 0);
submitAndWait(command_buffer);

vk::DeviceSize compacted_size = 0;
const vk::Result query_result = device.getQueryPoolResults(
    compaction_query_pool, 0, 1,
    sizeof(compacted_size), &compacted_size, sizeof(compacted_size),
    vk::QueryResultFlagBits::e64 | vk::QueryResultFlagBits::eWait);

检查查询结果，按 compacted_size 分配存储并创建 compacted_blas；收益不明显时可跳过压缩。

复制并切换引用

vk::CopyAccelerationStructureInfoKHR copy_info{
    .src  = blas,
    .dst  = compacted_blas,
    .mode = vk::CopyAccelerationStructureModeKHR::eCompact,
};
command_buffer.copyAccelerationStructureKHR(copy_info);
submitAndWait(command_buffer);

COMPACT 是 AS 专用复制操作，不能用普通 buffer copy 代替。复制命令说明

压缩后 BLAS 地址改变。 最好先压缩，再构建 TLAS；已有 TLAS 则需换用新地址并更新或重建。复制和旧 AS 的在途操作结束后，才能回收旧存储。压缩期间新旧存储同时存在，需考虑显存峰值。

延伸阅读

  • Vulkan 官方教程：Acceleration Structures：BLAS/TLAS 的基础构建流程。
  • NVIDIA Vulkan Ray Tracing Tutorial：Acceleration Structures：结合 sample 理解构建与资源管理。
  • nvpro_core2 acceleration_structures.hpp：构建、批处理与压缩的 helper 接口。
  • NVIDIA RTXMU：面向光追加速结构的内存管理库。

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