天天日報丨虛幻引擎 5 Lumen vs 光線追蹤：哪個更好？
Epic 的 Unreal Engine 4 是上一代最流行的游戲引擎之一。它被 EA、Ubisoft 和 Microsoft 等 3A 巨頭以及大量獨(dú)立工作室廣泛使用。憑借虛幻引擎 5 及其 Lumen 和 Nanite 技術(shù)，Epic 正在尋求擴(kuò)大其在視頻游戲行業(yè)的主導(dǎo)地位。在這篇文章中，我們將了解 Lumen，這是虛幻引擎 5 使用的全局照明解決方案，可在預(yù)算內(nèi)為下一代游戲帶來逼真的照明。我們將 Lumen 與傳統(tǒng)的光線追蹤進(jìn)行比較，并分析兩者在質(zhì)量和性能方面的差異。
(資料圖片僅供參考)
簡單來說，全局照明是通過計算屏幕內(nèi)外光源發(fā)出的光（通過近似或追蹤其路徑）來照亮或照亮場景的過程。通過光線和路徑追蹤，光線從這些光源投射，到達(dá)場景中的各種物體并照亮它們。根據(jù)遇到的對象的性質(zhì)，光線的行為會有所不同。例如，有光澤（閃亮）的物體會反射光線，而不透明的物體會簡單地阻擋它并將其重定向到其他地方。物體在不同方向上對光線的這種重定向稱為間接或漫射照明，而重定向的光線稱為漫射光線。
光線追蹤全局照明 (RTGI)然后這些間接或漫射光線充當(dāng)新投射的光線，進(jìn)一步撞擊其他對象并在此過程中照亮它們，而對象將它們重定向基本上充當(dāng)光源。當(dāng)光線最終到達(dá)相機(jī)（你的眼睛）時，它收集的信息用于確定場景的照明。
在大多數(shù)情況下，光線的顏色由反射它的像素的顏色決定。為了節(jié)省性能，直接照射到屏幕（您的眼睛）的光線（顏色、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)）是通過復(fù)雜的算法計算的，而其余的漫射光線則通過更簡單、不太復(fù)雜的方程來計算。
所以，現(xiàn)在您可能想知道光線是如何在場景中投射的，以及如何確定每個場景的光線數(shù)。嗯，這是通過探針完成的，這些探針基本上是開發(fā)人員在運(yùn)行前放置在場景中的光源。每個探頭都充當(dāng)點(diǎn)光源，投射光線并照亮場景。每個探頭可以放射狀地投射一條或多條射線。
這些探測器投射的光線被跟蹤、著色，并存儲輻照度和幾何距離等數(shù)據(jù)，并用于計算場景的最終照明。在最初的光線追蹤游戲中，大多數(shù)開發(fā)人員使用一個（或兩個）光探測器來計算漫反射光照。在 Metro Exodus 中，這是太陽和天空的紋理。在增強(qiáng)版中，這擴(kuò)展到了 256 個光源或探頭。因此，總的來說，您有256 個光源，加上來自太陽和天空的光線都用于計算每個像素的光照。1080p 顯示器有 200 萬像素，1440p 有 400 萬像素，4K 有 800 萬像素！
為了確保現(xiàn)代硬件能夠真正運(yùn)行游戲，開發(fā)人員使用網(wǎng)格單元或集群來劃分場景。然后類似于屏幕空間效果，范圍內(nèi)（在網(wǎng)格中）的光探針用于計算場景的照明，主要區(qū)別在于在前者的情況下，屏幕空間被劃分為多個部分（取決于它們在 Z 緩沖區(qū)中的位置），而在后者的情況下，游戲世界是分區(qū)的，避免了類似的覆蓋問題。
另一項(xiàng)優(yōu)化涉及累積來自先前幀的光線并將它們用于額外的漫反射光反彈，就像時間放大一樣。這用于生成照明網(wǎng)格，然后可以在連續(xù)幀上重復(fù)使用，從而允許幾乎無限的光線反彈。您實(shí)際上是在多個幀上臨時投射漫射光線，以減少性能影響并使該方法更適合實(shí)時使用。由于漫射光線的影響是微妙的（但在光線不足的場景中很明顯），它不會受到通常與時間渲染技術(shù)相關(guān)的問題的影響。
虛幻引擎 5：Lumen與光線追蹤好的，所以在我們開始之前，讓我們把一件事說清楚。Lumen 基于光線追蹤，盡管它是一種更優(yōu)化的混合形式，可以在不同的圖形架構(gòu)中更廣泛地采用，而無需擁有 1000 美元的 GPU。
Lumen 是虛幻引擎 5 的全新全動態(tài)全局照明和反射系統(tǒng)，專為下一代游戲機(jī)而設(shè)計。Lumen 是 Unreal Engine 5 中默認(rèn)的全局照明和反射系統(tǒng)。它在從毫米到公里的大型詳細(xì)環(huán)境中渲染具有無限反彈和間接鏡面反射的漫反射。
默認(rèn)情況下，Lumen 使用軟件光線追蹤（不使用 RT 內(nèi)核/加速器），這是一種高度優(yōu)化的形式。它并行使用多種形式的光線追蹤，包括屏幕追蹤 (SSRT)、有符號距離場 (SDF) 和網(wǎng)格距離場 (MDF)，根據(jù)對象及其與屏幕的距離計算場景的全局照明，以及某些其他因素。
有符號距離場和網(wǎng)格距離場在我們繼續(xù)之前，您需要知道有符號距離場（和網(wǎng)格距離場）是什么。雖然這聽起來像是一個非常復(fù)雜的術(shù)語，但SDF 基本上是一個特定方向的距離向量。讓我們以下面的例子來說明這一點(diǎn)：
光線從相機(jī)投射，穿過屏幕，然后接近圓形表面?，F(xiàn)在，通過光線追蹤，最重要的部分是確定哪些光線擊中場景中的對象，哪些未命中。SDF 用于此目的，更具體地說，是找出（對于從特定方向開始的光線）對象表面上存在交叉點(diǎn)的最近點(diǎn)。
這里，綠色圓圈代表 SDF。計算SDF 意味著找出我們可以（至少）沿著射線在那個方向上走多遠(yuǎn)。然后，覆蓋這么多距離并重新評估 SDF。這整個過程稱為光線行進(jìn)。現(xiàn)在對網(wǎng)格采用相同的方法，得到網(wǎng)格距離場 (MDF)。無論哪種方式，在這種情況下，光線實(shí)際上并沒有擊中圓，因此該過程在預(yù)定數(shù)量的步驟后結(jié)束。以防萬一，SDF 將被用于計算照明和其他相關(guān)方程。
全局距離場、網(wǎng)格距離場和屏幕跟蹤是最快的，但準(zhǔn)確度要低得多。這對他們有利，因?yàn)樗鼈冇糜趫鼍暗某橄笸夤趋溃鐗Ρ?、地板和大（但簡單）的紋理塊（例如墊子）。網(wǎng)格距離場更詳細(xì)，但僅在對象表面附近保留稀疏的細(xì)節(jié)。這些 SDF 與 mipmap 一起使用，具體取決于對象與相機(jī)的距離。
lumen 中的軟件光線追蹤過程從屏幕空間光線追蹤或屏幕追蹤開始，它針對深度緩沖區(qū)中的幾何體/對象（在屏幕上可見）進(jìn)行。正如您在本節(jié)開頭的圖表中看到的那樣，這通常用于邊緣和裂縫，基本上是投射屏幕空間陰影 (SSAO) 的幾何體。在屏幕跟蹤之后，使用 SDF。第一個網(wǎng)格距離場用于附近的對象，其次是全局距離場用于場景的其余部分
網(wǎng)格距離場（稱為詳細(xì)跟蹤）跟蹤距離相機(jī)最遠(yuǎn) 2 米的對象，而其余部分使用全局距離場進(jìn)行跟蹤（稱為全局跟蹤）。如上所示，每種方法都有自己的每個場景的 2D 體素表示。GDF 不太準(zhǔn)確，因?yàn)槟鷮?shí)際上是根據(jù)對象輪廓跟蹤它們，但比 MDF 快得多。此外，目標(biāo)對象的性質(zhì)/距離意味著這非常有效。另一方面，MDF 跟蹤場景中各種對象的（相對）低多邊形版本以計算照明（對于高達(dá) 2 米的對象）。
為了進(jìn)一步加快這個過程，Lumen 使用了Surface Cache。Surface 緩存從各個角度捕獲對象的幾何屬性，并以各種圖集（緩存）的形式離線存儲它們。當(dāng)玩家四處移動時會發(fā)生捕獲，當(dāng)您靠近時以更高的分辨率進(jìn)行捕獲，而當(dāng)您遠(yuǎn)離對象時以較低的分辨率進(jìn)行捕獲。但是，這僅適用于內(nèi)部簡單的網(wǎng)格。緩存發(fā)生在有限數(shù)量的對象多邊形（幾百 MB 的 VRAM）中，并且需要各種對象/部分的 LOD 才能有效利用。
Lumen 軟件 RT的主要缺點(diǎn)之一是它不適用于蒙皮網(wǎng)格（主要是骨架），因?yàn)樗鼈兪莿討B(tài)的并且隨著每一幀（變形/移動等）而改變其形狀。因此，需要為每一幀創(chuàng)建這些對象的 BVH 結(jié)構(gòu)，而 Lumen 的 SW 光線追蹤器無法做到這一點(diǎn)。Lumen SW 在運(yùn)行時只為靜態(tài)網(wǎng)格創(chuàng)建一次 BVH 對象，這大大加快了進(jìn)程，但對于動態(tài)網(wǎng)格卻毫無用處。
Lumen 還帶有硬件光線追蹤，但大多數(shù)開發(fā)人員會堅持使用前者，因?yàn)榧词故褂?RT 內(nèi)核等專用硬件，它也比 SW 實(shí)現(xiàn)慢 50% 。此外，您也不能使用硬件光線追蹤或蒙版網(wǎng)格來重疊網(wǎng)格，因?yàn)樗鼈儠蟠鬁p慢光線遍歷過程。如上所述，軟件光線追蹤基本上將所有相互重疊的網(wǎng)格合并到一個距離場中。
總的來說，Lumen 看起來很驚人，但它的主要缺點(diǎn)是它僅限于 Unreal 5。這意味著與 NVIDIA DLSS 類似，它永遠(yuǎn)不會看到與其他開源技術(shù)（FXAA、SMAA 甚至 TAA）相同的采用量.?從好的方面來說，它應(yīng)該允許許多獨(dú)立工作室利用這種先進(jìn)的 GI 技術(shù)，而無需付出太多努力。此外，它還將推動其他主要引擎（最著名的是 CryEngine、Frostbyte、Dunia 和 Snowdrop）提出他們自己優(yōu)化的、基于軟件的光線追蹤器，這些光線追蹤器適用于所有硬件。
五棟大樓 翻閱整理 2022 8.15
