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

全局光照

當光線離開光源時，它會照亮可在光源位置看到的所有表面，這在計算機圖形學中被稱為“直接光照”。但在現(xiàn)實生活中，光線不會止步于此，它還會從表面反彈出去，并在這個過程中捕獲表面的顏色。光線從粗糙表面向各個方向的反彈被稱為“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程被稱為“反射”。最終，光線會到達你的眼睛或攝像機，形成圖像。

過去，在大多數(shù)游戲中，全局光照只能通過一個名為“光照貼圖烘焙”的離線過程處理，因為它的計算成本太高，無法實時計算。在虛幻引擎中，光照貼圖通過CPU Lightmass或GPU Lightmass烘焙。光照貼圖提供的靜態(tài)光照可以帶來非常高的質(zhì)量，但是需要很長的構(gòu)建時間，并且極大地限制了游戲環(huán)境。任何會顯著改變間接光照的動作（如移動壁掛電視）都會使光照狀態(tài)變得不正確。

需要這些動態(tài)場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現(xiàn)。

Lumen會實時模擬光線在場景中的反彈，這使得玩家能夠改變游戲世界的任何方面，而間接光照將自動更新。玩家可以破壞關(guān)卡中的大部分東西，更改當日時間，或照亮關(guān)卡的一部分，這些變化將自動傳播到光照中。游戲開發(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題，提供了色彩溢出和間接陰影之類的效果。Lumen支持無限漫反射，這在具有明亮表面的場景中非常重要，例如下方場景中的白色油漆層。

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

Lumen還可以傳播自發(fā)光材質(zhì)中的光線，并且不會產(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)生噪點瑕疵。從本質(zhì)上說，自發(fā)光光照要比手動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題，但質(zhì)量較低。這里，自發(fā)光標志網(wǎng)格體動態(tài)地照亮了體積霧。

反射

Lumen以動態(tài)方式為具有任意粗糙度的任意表面解決了反射問題。這取代了預先計算的反射形式（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，僅為攝像機可直接拍攝到的內(nèi)容處理動態(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態(tài)全局光照和陰影的天空光照。

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，并且會使用場景的粗略版本實現(xiàn)更快的光線交匯。切換到Lumen場景視圖模式，就能夠以可視化方式查看這個場景。這個視圖顯示了Lumen為實現(xiàn)全局光照和反射，在追蹤光線時所“看見”的情況。

Lumen默認使用網(wǎng)格體距離場，這種技術(shù)被稱為軟件光線追蹤，因為它不需要支持光線追蹤的顯卡硬件。距離場以一種快速實現(xiàn)光線交匯的方式表示網(wǎng)格體的表面。

軟件光線追蹤還會將網(wǎng)格體合并到一個全局距離場中，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），也能實現(xiàn)非?？焖俚墓饩€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追蹤，因為存在大量的網(wǎng)格體重疊。

Lumen也可以通過項目設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《黑客帝國覺醒：虛幻引擎5體驗》技術(shù)演示中，高聳的城市建筑擋住了太陽的直接光照，因此屏幕中的大部分內(nèi)容都是由Lumen提供光照的。

Lumen在這個演示中使用了硬件光線追蹤，實現(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

當光線射中表面時，Lumen需要評估材質(zhì)和傳入的光照。如果每條光線在到達時都要執(zhí)行這一過程，成本將非常高昂，并且效率極低；多條光線可能會射中同一個點，材質(zhì)可能具有多個紋理查找。Lumen默認啟用表面緩存，并且會在其中緩存這次光照。

Lumen首先會選擇從哪些方向捕獲各個網(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。當玩家在場景中移動時，Lumen會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，盡管對于Lumen而言，這不是必需的，但多邊形計數(shù)較高的網(wǎng)格體受益尤其明顯。然后，這些表面會被照亮，在這個過程中會計算可在反射中看到，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Lumen的一項關(guān)鍵優(yōu)化，但它也存在內(nèi)容方面的注意事項。具體而言，它只支持內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的網(wǎng)格體，這意味著墻壁、地板和天花板都應該是獨立的網(wǎng)格體。將包括家具在內(nèi)的整個房間作為一個單獨的網(wǎng)格體導入，預計在Lumen中是行不通的。

表面緩存視圖模式會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)生基于視點的全局光照，因為只有Lumen屏幕追蹤會被激活。

最終采集和去噪

光線追蹤的運行成本高昂，因此我們無法負擔追蹤太多光線。同時，屏幕上的每個像素都需要考慮接受來自場景中其他各個表面的光照，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，所以必須選擇一個小的子集。如果錯過了重要的方向，最終圖像中會顯示出噪點瑕疵，所以我們必須明智地判斷光線的追蹤方向，并盡可能地重復利用那些為數(shù)不多的追蹤。

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

Lumen的最終采集使用了屏幕空間輻射率緩存，會對主屏幕的全局光照計算進行大量下采樣。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。

在這個輻射率緩存中，傳入的光照會被過濾，這大幅消除噪點，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，因為我們?nèi)詫⒃谙虏蓸拥妮椛渎示彺婵臻g中進行操作，這樣更高效。

Lumen會非常仔細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指導在這一幀中尋找光照，這帶來了與追蹤四倍光線相同的質(zhì)量，但運行速度更快。在下面的截圖中，白色光線就是通過重要性采樣方式選擇的。

最后，Lumen會將附近的光照與遠處的光照分開，并通過一種叫做“世界空間輻射率緩存”的技術(shù)，追蹤更多光線，從而解析遠處的光照，以減少噪點。當室內(nèi)房間完全由射入小窗戶的天空光照進行照亮時，這就變得非常重要，同時也是Lumen確保室內(nèi)質(zhì)量的關(guān)鍵。

對于粗糙表面的反射，Lumen會復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在相鄰的像素之間共享，并暫時在幀之間累積，以消除噪點。

所有這些采樣和去噪技術(shù)結(jié)合在一起，對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計的，但有時可以通過自發(fā)光網(wǎng)格體完全照亮場景，這要歸功于最終采集的質(zhì)量。在《黑客帝國覺醒：虛幻引擎5體驗》中，實驗性的夜間模式僅使用Lumen全局光照和反射就傳播了數(shù)百萬個自發(fā)光窗口網(wǎng)格體的光線，美術(shù)師沒有放置任何光源。

性能和質(zhì)量

Lumen非常依賴通過虛幻引擎5的時序超級分辨率算法對4K輸出進行時序上采樣。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)量設置在4K下原生運行Lumen。

當引擎使用可延展性級別較高的全局光照和反射時，Lumen在次世代主機上可以達到60 FPS的幀率，但是確保這些設置質(zhì)量的工作仍在進行中。

在其他方面，Lumen可以通過以下方式提高質(zhì)量：

在后處理體積設置中提高最終采集質(zhì)量

使用硬件光線追蹤

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

隨著設置等級的提高，Lumen可為建筑可視化提供高質(zhì)量的實時全局光照和反射。

結(jié)束語

Lumen仍在開發(fā)中，虛幻引擎正在努力改進它。具體而言，虛幻正在爭取，在次世代主機上以60fps的預算幀率運行時，Lumen能夠提供更好的性能和質(zhì)量，并將用例擴展到汽車、虛擬制片和電影渲染。

本文轉(zhuǎn)自虛幻引擎官網(wǎng)~