Lumen是虛幻引擎5中的全動(dòng)態(tài)全局光照和反射系統(tǒng)，開(kāi)箱即用。它專為次世代主機(jī)以及建筑可視化等非游戲領(lǐng)域的高端可視化而設(shè)計(jì)。我們將在本篇文章中介紹Lumen的具體功能，并概述其技術(shù)細(xì)節(jié)。

全局光照

當(dāng)光線離開(kāi)光源時(shí)，它會(huì)照亮可在光源位置看到的所有表面，這在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中被稱為“直接光照”。但在現(xiàn)實(shí)生活中，光線不會(huì)止步于此，它還會(huì)從表面反彈出去，并在這個(gè)過(guò)程中捕獲表面的顏色。光線從粗糙表面向各個(gè)方向的反彈被稱為“漫反射間接光照”或“全局光照”。而光線從光滑表面反彈出去的過(guò)程被稱為“反射”。最終，光線會(huì)到達(dá)你的眼睛或攝像機(jī)，形成圖像。

過(guò)去，在大多數(shù)游戲中，全局光照只能通過(guò)一個(gè)名為“光照貼圖烘焙”的離線過(guò)程處理，因?yàn)樗挠?jì)算成本太高，無(wú)法實(shí)時(shí)計(jì)算。在虛幻引擎中，光照貼圖通過(guò)CPU Lightmass或GPU Lightmass烘焙。光照貼圖提供的靜態(tài)光照可以帶來(lái)非常高的質(zhì)量，但是需要很長(zhǎng)的構(gòu)建時(shí)間，并且極大地限制了游戲環(huán)境。任何會(huì)顯著改變間接光照的動(dòng)作（如移動(dòng)壁掛電視）都會(huì)使光照狀態(tài)變得不正確。

需要這些動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的游戲一直依賴于基于輻照度探頭的低質(zhì)量光照，以及像環(huán)境光遮蔽這種提供近似全局光照效果的方法。在質(zhì)量上能與烘焙光照相媲美的全局光照曾一直難以實(shí)現(xiàn)。

Lumen會(huì)實(shí)時(shí)模擬光線在場(chǎng)景中的反彈，這使得玩家能夠改變游戲世界的任何方面，而間接光照將自動(dòng)更新。玩家可以破壞關(guān)卡中的大部分東西，更改當(dāng)日時(shí)間，或照亮關(guān)卡的一部分，這些變化將自動(dòng)傳播到光照中。游戲開(kāi)發(fā)者可以告別在虛幻編輯器中看到的“光照需要重建”消息。

Lumen高質(zhì)量地解決了全局光照問(wèn)題，提供了色彩溢出和間接陰影之類的效果。Lumen支持無(wú)限漫反射，這在具有明亮表面的場(chǎng)景中非常重要，例如下方場(chǎng)景中的白色油漆層。

在解決全局光照問(wèn)題的同時(shí)，Lumen也解決了導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境比室外環(huán)境更暗的天空陰影問(wèn)題。

Lumen還可以傳播自發(fā)光材質(zhì)中的光線，并且不會(huì)產(chǎn)生任何額外成本，例如下面的燈和窗戶。自發(fā)光區(qū)域的大小和亮度存在限制，超出限制將產(chǎn)生噪點(diǎn)瑕疵。從本質(zhì)上說(shuō)，自發(fā)光光照要比手動(dòng)放置的光源更難處理。

Lumen也解決了半透明和體積霧的全局光照問(wèn)題，但質(zhì)量較低。這里，自發(fā)光標(biāo)志網(wǎng)格體動(dòng)態(tài)地照亮了體積霧。

反射

Lumen以動(dòng)態(tài)方式為具有任意粗糙度的任意表面解決了反射問(wèn)題。這取代了預(yù)先計(jì)算的反射形式（如反射捕獲）以及具有限制性的技術(shù)（如平面反射和屏幕空間反射）。

但是，僅為攝像機(jī)可直接拍攝到的內(nèi)容處理動(dòng)態(tài)全局光照是不夠的；Lumen還提供了可在反射中看到的具有動(dòng)態(tài)全局光照和陰影的天空光照。

模型由奧迪提供

Lumen反射支持鍍膜材質(zhì)，比如這里的車漆，它的外層鍍膜具有鏡面反射，而內(nèi)部層所具有的更多是光澤反射。

Lumen中的光線追蹤

Lumen使用光線追蹤處理這些光照功能，并且會(huì)使用場(chǎng)景的粗略版本實(shí)現(xiàn)更快的光線交匯。切換到Lumen場(chǎng)景視圖模式，就能夠以可視化方式查看這個(gè)場(chǎng)景。這個(gè)視圖顯示了Lumen為實(shí)現(xiàn)全局光照和反射，在追蹤光線時(shí)所“看見(jiàn)”的情況。

Lumen默認(rèn)使用網(wǎng)格體距離場(chǎng)，這種技術(shù)被稱為軟件光線追蹤，因?yàn)樗恍枰С止饩€追蹤的顯卡硬件。距離場(chǎng)以一種快速實(shí)現(xiàn)光線交匯的方式表示網(wǎng)格體的表面。

軟件光線追蹤還會(huì)將網(wǎng)格體合并到一個(gè)全局距離場(chǎng)中，即使眾多網(wǎng)格體重疊在一起（這種情況在手工放置的Megascans資產(chǎn)中比較常見(jiàn)），也能實(shí)現(xiàn)非常快速的光線交匯。Epic的技術(shù)演示《Lumen in the Land of Nanite》和《古代山谷》完全使用了全局距離場(chǎng)追蹤，因?yàn)榇嬖诖罅康木W(wǎng)格體重疊。

Lumen也可以通過(guò)項(xiàng)目設(shè)置使用硬件光線追蹤。硬件光線追蹤更精確，能夠描繪更多的幾何體類型，包括帶蒙皮的網(wǎng)格體，但成本更高。鏡面反射要求啟用硬件光線追蹤。

在《黑客帝國(guó)覺(jué)醒：虛幻引擎5體驗(yàn)》技術(shù)演示中，高聳的城市建筑擋住了太陽(yáng)的直接光照，因此屏幕中的大部分內(nèi)容都是由Lumen提供光照的。

Lumen在這個(gè)演示中使用了硬件光線追蹤，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的反射、帶蒙皮的網(wǎng)格體和遼闊的視野范圍。

表面緩存

當(dāng)光線射中表面時(shí)，Lumen需要評(píng)估材質(zhì)和傳入的光照。如果每條光線在到達(dá)時(shí)都要執(zhí)行這一過(guò)程，成本將非常高昂，并且效率極低；多條光線可能會(huì)射中同一個(gè)點(diǎn)，材質(zhì)可能具有多個(gè)紋理查找。Lumen默認(rèn)啟用表面緩存，并且會(huì)在其中緩存這次光照。

Lumen首先會(huì)選擇從哪些方向捕獲各個(gè)網(wǎng)格體，使網(wǎng)體格所有表面都被覆蓋到，以這種方式填充表面緩存。當(dāng)玩家在場(chǎng)景中移動(dòng)時(shí)，Lumen會(huì)不斷重新捕獲附近網(wǎng)格體的材質(zhì)屬性，放入表面緩存圖集中。Nanite虛擬化幾何體系統(tǒng)可以大大加快這些網(wǎng)格體的渲染速度，盡管對(duì)于Lumen而言，這不是必需的，但多邊形計(jì)數(shù)較高的網(wǎng)格體受益尤其明顯。然后，這些表面會(huì)被照亮，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)計(jì)算可在反射中看到，并具備多反射全局光照和陰影的天空光照。表面緩存光照現(xiàn)在已經(jīng)可用于加速全局光照和反射等功能。

表面緩存是對(duì)Lumen的一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)化，但它也存在內(nèi)容方面的注意事項(xiàng)。具體而言，它只支持內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的網(wǎng)格體，這意味著墻壁、地板和天花板都應(yīng)該是獨(dú)立的網(wǎng)格體。將包括家具在內(nèi)的整個(gè)房間作為一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)格體導(dǎo)入，預(yù)計(jì)在Lumen中是行不通的。

表面緩存視圖模式會(huì)將未覆蓋的地方顯示為粉紅色。這些區(qū)域在反射中將顯示為黑色，并產(chǎn)生基于視點(diǎn)的全局光照，因?yàn)橹挥蠰umen屏幕追蹤會(huì)被激活。

最終采集和去噪

光線追蹤的運(yùn)行成本高昂，因此我們無(wú)法負(fù)擔(dān)追蹤太多光線。同時(shí)，屏幕上的每個(gè)像素都需要考慮接受來(lái)自場(chǎng)景中其他各個(gè)表面的光照，因此它才被稱為“全局”光照。我們不可能追蹤所有方向的光線，所以必須選擇一個(gè)小的子集。如果錯(cuò)過(guò)了重要的方向，最終圖像中會(huì)顯示出噪點(diǎn)瑕疵，所以我們必須明智地判斷光線的追蹤方向，并盡可能地重復(fù)利用那些為數(shù)不多的追蹤。

對(duì)于漫反射全局光照，Lumen使用了一種基于輻射率緩存的最終采集高級(jí)算法，該算法曾在2021年的Siggraph大會(huì)上發(fā)表。

Lumen的最終采集使用了屏幕空間輻射率緩存，會(huì)對(duì)主屏幕的全局光照計(jì)算進(jìn)行大量下采樣。下采樣的間接光照與全分辨率材質(zhì)數(shù)據(jù)整合，產(chǎn)生全分辨率著色。

在這個(gè)輻射率緩存中，傳入的光照會(huì)被過(guò)濾，這大幅消除噪點(diǎn)，并重新利用了相鄰像素間的寶貴追蹤。這與屏幕空間去噪器不同，因?yàn)槲覀內(nèi)詫⒃谙虏蓸拥妮椛渎示彺婵臻g中進(jìn)行操作，這樣更高效。

Lumen會(huì)非常仔細(xì)地選擇光線的追蹤方向；它將檢查上一幀中具有明亮光照的方向，這種技術(shù)被稱為“傳入光照的重要性采樣”。前一幀的光照被用來(lái)指導(dǎo)在這一幀中尋找光照，這帶來(lái)了與追蹤四倍光線相同的質(zhì)量，但運(yùn)行速度更快。在下面的截圖中，白色光線就是通過(guò)重要性采樣方式選擇的。

最后，Lumen會(huì)將附近的光照與遠(yuǎn)處的光照分開(kāi)，并通過(guò)一種叫做“世界空間輻射率緩存”的技術(shù)，追蹤更多光線，從而解析遠(yuǎn)處的光照，以減少噪點(diǎn)。當(dāng)室內(nèi)房間完全由射入小窗戶的天空光照進(jìn)行照亮?xí)r，這就變得非常重要，同時(shí)也是Lumen確保室內(nèi)質(zhì)量的關(guān)鍵。

對(duì)于粗糙表面的反射，Lumen會(huì)復(fù)用屏幕空間輻射率緩存，避免產(chǎn)生額外的成本。因此，Lumen能夠在汽車清漆這樣的材質(zhì)上提供第二層反射，但不使成本加倍。

光滑表面上的反射會(huì)追蹤額外的光照，以尋找被反射的光源。被這些光線找到的光照會(huì)在相鄰的像素之間共享，并暫時(shí)在幀之間累積，以消除噪點(diǎn)。

所有這些采樣和去噪技術(shù)結(jié)合在一起，對(duì)Lumen的質(zhì)量和性能起到了至關(guān)重要的作用。Lumen并不是為直接光照而設(shè)計(jì)的，但有時(shí)可以通過(guò)自發(fā)光網(wǎng)格體完全照亮場(chǎng)景，這要?dú)w功于最終采集的質(zhì)量。在《黑客帝國(guó)覺(jué)醒：虛幻引擎5體驗(yàn)》中，實(shí)驗(yàn)性的夜間模式僅使用Lumen全局光照和反射就傳播了數(shù)百萬(wàn)個(gè)自發(fā)光窗口網(wǎng)格體的光線，美術(shù)師沒(méi)有放置任何光源。

性能和質(zhì)量

Lumen非常依賴通過(guò)虛幻引擎5的時(shí)序超級(jí)分辨率算法對(duì)4K輸出進(jìn)行時(shí)序上采樣。這樣可以獲得最佳質(zhì)量的最終圖像，而不是以明顯較低的質(zhì)量設(shè)置在4K下原生運(yùn)行Lumen。

當(dāng)引擎使用可延展性級(jí)別較高的全局光照和反射時(shí)，Lumen在次世代主機(jī)上可以達(dá)到60 FPS的幀率，但是確保這些設(shè)置質(zhì)量的工作仍在進(jìn)行中。

在其他方面，Lumen可以通過(guò)以下方式提高質(zhì)量：

在后處理體積設(shè)置中提高最終采集質(zhì)量

使用硬件光線追蹤

當(dāng)光線擊中表面時(shí)，使用擊中照射，而不是表面緩存，以獲得更高的質(zhì)量。

隨著設(shè)置等級(jí)的提高，Lumen可為建筑可視化提供高質(zhì)量的實(shí)時(shí)全局光照和反射。

結(jié)束語(yǔ)

Lumen仍在開(kāi)發(fā)中，虛幻引擎正在努力改進(jìn)它。具體而言，虛幻正在爭(zhēng)取，在次世代主機(jī)上以60fps的預(yù)算幀率運(yùn)行時(shí)，Lumen能夠提供更好的性能和質(zhì)量，并將用例擴(kuò)展到汽車、虛擬制片和電影渲染。

本文轉(zhuǎn)自虛幻引擎官網(wǎng)~