虛幻引擎 5 中的 Lumen 是一個(gè)完全動(dòng)態(tài)的全局照明和反射系統(tǒng)。它可以在虛幻引擎 5 中使用，因此創(chuàng)作者無(wú)需自行設(shè)置。它是為下一代控制臺(tái)和建筑可視化等高端可視化而設(shè)計(jì)的。那么它提供了哪些功能以及如何工作？

全局照明

當(dāng)光離開(kāi)光源時(shí)，它會(huì)照亮光可以到達(dá)的所有表面。這在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中稱為直接照明。在現(xiàn)實(shí)生活中，光并不止于此，它會(huì)從表面反射，呈現(xiàn)出相應(yīng)的顏色，并照亮其他表面。從粗糙表面向各個(gè)方向反射的光稱為漫反射間接照明或全局照明。從光滑表面鏡面反射的光稱為反射。最終，光線到達(dá)眼睛或相機(jī)形成圖像。

過(guò)去，游戲的全局照明必須離線計(jì)算，因?yàn)橛?jì)算量太大而無(wú)法實(shí)時(shí)計(jì)算。該離線過(guò)程稱為光照貼圖烘焙。在虛幻引擎中，光照貼圖使用CPU Lightmass或GPU Lightmass進(jìn)行烘焙。靜態(tài)光照貼圖提供高質(zhì)量的光照，但需要較長(zhǎng)的構(gòu)建時(shí)間。它們限制了游戲環(huán)境。改變間接照明（例如移動(dòng)壁掛式電視）會(huì)導(dǎo)致照明不正確，如下兩張圖所示：

傳統(tǒng)上，具有動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的游戲依賴于基于輻照度探頭的照明和環(huán)境光遮擋等技術(shù)來(lái)近似全局照明。高質(zhì)量的實(shí)時(shí)全局照明一直難以實(shí)現(xiàn)。

Lumen 實(shí)時(shí)模擬場(chǎng)景周圍的光線反射，通過(guò)自動(dòng)更新間接照明來(lái)改變游戲世界。這意味著玩家可以破壞部分關(guān)卡、更改一天中的時(shí)間或淹沒(méi)部分關(guān)卡，并且照明將相應(yīng)地發(fā)生實(shí)際變化。不會(huì)再有“照明需要重建”的消息。游戲開(kāi)發(fā)者在虛幻編輯器中進(jìn)行更改時(shí)不再需要重建光照 - Lumen 可以實(shí)時(shí)處理它。

Lumen 提供高質(zhì)量的實(shí)時(shí)全局照明，包括滲色和間接陰影等效果。Lumen 支持無(wú)限數(shù)量的漫反射光反射，這對(duì)于具有明亮表面的場(chǎng)景（例如下面場(chǎng)景中的白色疼痛）非常重要。

流明不僅可以解決全局照明問(wèn)題，還可以處理天空陰影問(wèn)題。天空陰影導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境比室外環(huán)境顯得更暗。

Lumen 還可以準(zhǔn)確地傳播來(lái)自燈和窗戶等發(fā)光材料的光，而無(wú)需任何額外的性能成本。然而，在出現(xiàn)噪聲偽影之前，發(fā)射區(qū)域的小度和亮度是有限的。從發(fā)射材料傳播光本質(zhì)上比從手動(dòng)放置的光源傳播光更困難。

Lumen 還可以解決半透明材質(zhì)和體積霧的全局照明，但質(zhì)量較低。在下面的示例中，發(fā)射標(biāo)志網(wǎng)格動(dòng)態(tài)地照亮體積霧。

反射

Lumen 可以動(dòng)態(tài)計(jì)算任何粗糙度水平的表面的反射。這取代了對(duì)預(yù)先計(jì)算的反射技術(shù)（例如反射捕獲、平面反射和屏幕空間反射）的需求。

Lumen 僅僅解決從相機(jī)直接可見(jiàn)的動(dòng)態(tài)全局照明是不夠的；Lumen 還提供動(dòng)態(tài) GI 和在反射中看到的陰影天光。這可以實(shí)現(xiàn)更真實(shí)、更準(zhǔn)確的反射。

Lumen反射可以準(zhǔn)確地模擬涂層材料，例如汽車油漆，其外涂層具有鏡面反射，同時(shí)內(nèi)層也具有更光滑的反射。這使得涂層材料的反射更加真實(shí)。

Lumen 中的光線追蹤

Lumen 利用光線追蹤來(lái)計(jì)算照明效果。它使用場(chǎng)景的近似版本來(lái)實(shí)現(xiàn)更快的光線交叉。可以通過(guò)切換到流明場(chǎng)景視圖模式來(lái)查看該場(chǎng)景。此視圖顯示當(dāng) Lumen 跟蹤光線以計(jì)算全局照明和反射時(shí)，場(chǎng)景在 Lumen 中的顯示方式。

默認(rèn)情況下，Lumen 使用網(wǎng)格距離場(chǎng)，這是一種軟件光線追蹤技術(shù)。這是因?yàn)樗恍枰С钟布饩€追蹤的顯卡。距離場(chǎng)以允許光線快速相交的方式表示網(wǎng)格表面。

Lumen 中的軟件光線追蹤還使用全局距離場(chǎng)，將所有網(wǎng)格合并到一個(gè)距離場(chǎng)中。即使有許多重疊的網(wǎng)格，這也能提供非?？焖俚墓饩€交叉——這是使用大量詳細(xì)的 Megascans 資源時(shí)的常見(jiàn)情況。Epic在 Nanite 之地和遠(yuǎn)古之谷技術(shù)演示中僅使用全局距離場(chǎng)演示了 Lumen，因?yàn)檫@些場(chǎng)景中存在大量網(wǎng)格重疊。

表面緩存視圖

當(dāng)光線照射到表面時(shí)，Lumen 必須評(píng)估材料和入射光，這是昂貴且低效的。多條光線可能會(huì)擊中同一點(diǎn)，并且材質(zhì)可能有許多紋理查找。為了優(yōu)化這一點(diǎn)，Lumen 將表面信息緩存在其默認(rèn)啟用的Surface Cache中。

表面緩存通過(guò)選擇捕捉每個(gè)網(wǎng)格的方向來(lái)填充，以便覆蓋所有表面。當(dāng)玩家移動(dòng)時(shí)，Lumen 會(huì)將附近的網(wǎng)格重新捕獲到表面緩存圖集中。納米幾何系統(tǒng)有助于加速這些渲染，盡管 Lumen 不需要它。然后，表面被照亮，包括多重反射全局照明和天空照明，這將在反射中看到。然后，表面緩存照明就可以加速全局照明和反射等功能。

Surface Cache 是 Lumen 中的一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)化，但也對(duì)內(nèi)容有影響。只能支持具有簡(jiǎn)單外部的網(wǎng)格 - 墻壁、地板和天花板應(yīng)該是單獨(dú)的網(wǎng)格。將帶有家具的整個(gè)房間作為單個(gè)網(wǎng)格導(dǎo)入預(yù)計(jì)不會(huì)與 Lumen 配合良好。Lumen 需要單獨(dú)的網(wǎng)格來(lái)有效地緩存表面信息。

Surface Cache View 中的粉色區(qū)域缺乏全局照明覆蓋。它們?cè)诜瓷渲袝?huì)顯示為黑色，并導(dǎo)致與視圖相關(guān)的照明錯(cuò)誤，因?yàn)橹挥辛髅髌聊慧E線在那里處于活動(dòng)狀態(tài)。

最終聚集和去噪

光線追蹤是一項(xiàng)要求很高的操作，因此我們無(wú)法追蹤很多光線。同時(shí)，屏幕上的每個(gè)像素都需要全局照明，其中考慮來(lái)自每個(gè)表面的光。我們無(wú)法追蹤所有方向的光線，因此我們必須追蹤一小部分。如果我們錯(cuò)過(guò)了重要的光線方向，它將顯示為噪聲，因此我們必須策略性地確定跟蹤哪些方向并盡可能地重復(fù)使用跟蹤。

Lumen 使用基于輻射緩存的高級(jí)最終聚集算法來(lái)實(shí)現(xiàn)漫反射全局照明。Lumen 的最終聚集使用屏幕空間輻射率緩存來(lái)大大減少主屏幕的全局照明計(jì)算?？s小尺寸的間接照明與全分辨率材質(zhì)數(shù)據(jù)集成，以創(chuàng)建全分辨率著色。

入射光在輻射緩存內(nèi)進(jìn)行過(guò)濾，這大大減少了噪聲并重復(fù)利用了附近像素之間的少量光線軌跡。這與普通的屏幕空間降噪器不同，因?yàn)槲覀內(nèi)栽谙虏蓸拥妮椛渚彺婵臻g中工作，這要高效得多。

Lumen 仔細(xì)地確定追蹤光線的方向。它檢查前一幀中具有明亮照明的方向，這種技術(shù)稱為傳入照明的重要性采樣。前一幀的光照用于引導(dǎo)當(dāng)前幀中的光線追蹤位置，從而獲得與追蹤四倍光線相同的質(zhì)量，同時(shí)運(yùn)行速度更快。在下面的場(chǎng)景中，使用重要性采樣選擇白色光線。

最后，Lumen 將附近的照明與遠(yuǎn)處的照明分開(kāi)，并為遠(yuǎn)處的照明追蹤更多的光線，以通過(guò)一種稱為世界空間輻射緩存的技術(shù)來(lái)減少噪音。當(dāng)僅通過(guò)通過(guò)小窗戶射入的天空光來(lái)照亮室內(nèi)房間時(shí)，這一點(diǎn)尤其有價(jià)值，并且對(duì)于室內(nèi)環(huán)境中的 Lumen 質(zhì)量至關(guān)重要。

對(duì)于粗糙表面上的反射，Lumen 重復(fù)使用屏幕空間輻射緩存，無(wú)需額外費(fèi)用。這使得 Lumen 能夠在汽車油漆等光澤涂層材料上提供第二層反射，而無(wú)需執(zhí)行兩次單獨(dú)的計(jì)算，這會(huì)使成本加倍。

所有這些采樣和降噪技術(shù)對(duì)于 Lumen 的高質(zhì)量和高效率至關(guān)重要。雖然 Lumen 不是為直接照明而創(chuàng)建的，但由于最終聚集的保真度，有時(shí)可以使用發(fā)射幾何體完全照亮場(chǎng)景。在《黑客帝國(guó)：覺(jué)醒：虛幻引擎 5體驗(yàn)》中，實(shí)驗(yàn)性夜間模式僅利用流明全局照明和反射來(lái)傳播來(lái)自數(shù)百萬(wàn)個(gè)發(fā)射窗網(wǎng)格的光線；藝術(shù)家沒(méi)有添加任何光源。

性能和質(zhì)量

Lumen 主要依靠虛幻引擎 5 的時(shí)間超分辨率算法進(jìn)行時(shí)間上采樣來(lái)實(shí)現(xiàn) 4K 輸出。與以明顯較低的質(zhì)量設(shè)置在 4K 下本地運(yùn)行 Lumen 相比，這可提供最佳的最終圖像質(zhì)量。

當(dāng)引擎使用全局照明和反射的高可擴(kuò)展級(jí)別時(shí)，流明可以在下一代控制臺(tái)上達(dá)到 60 FPS，盡管這些設(shè)置的質(zhì)量仍需要改進(jìn)。

在其他方面，Lumen 可以通過(guò)以下方式提高質(zhì)量：

• 提高后處理體積設(shè)置中的最終聚集質(zhì)量利用硬件光線追蹤當(dāng)光線照射到表面時(shí)利用命中照明來(lái)獲得更高的質(zhì)量，而不是表面緩存

隨著設(shè)置的增加，Lumen 可以為高端建筑可視化提供高質(zhì)量的實(shí)時(shí)全局照明和反射。

這就是關(guān)于虛幻引擎 5 中 Lumen 的全部?jī)?nèi)容。希望您喜歡這篇文章并掌握其功能和內(nèi)部工作原理。

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