天天日?qǐng)?bào)丨虛幻引擎 5 Lumen vs 光線追蹤：哪個(gè)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(lái)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)

什么是全局照明？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，全局照明是通過(guò)計(jì)算屏幕內(nèi)外光源發(fā)出的光（通過(guò)近似或追蹤其路徑）來(lái)照亮或照亮場(chǎng)景的過(guò)程。通過(guò)光線和路徑追蹤，光線從這些光源投射，到達(dá)場(chǎng)景中的各種物體并照亮它們。根據(jù)遇到的對(duì)象的性質(zhì)，光線的行為會(huì)有所不同。例如，有光澤（閃亮）的物體會(huì)反射光線，而不透明的物體會(huì)簡(jiǎn)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(duì)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(duì)象并在此過(guò)程中照亮它們，而對(duì)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(shí)，它收集的信息用于確定場(chǎng)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(guò)復(fù)雜的算法計(jì)算的，而其余的漫射光線則通過(guò)更簡(jiǎn)單、不太復(fù)雜的方程來(lái)計(jì)算。

所以，現(xiàn)在您可能想知道光線是如何在場(chǎng)景中投射的，以及如何確定每個(gè)場(chǎng)景的光線數(shù)。嗯，這是通過(guò)探針完成的，這些探針基本上是開(kāi)發(fā)人員在運(yùn)行前放置在場(chǎng)景中的光源。每個(gè)探頭都充當(dāng)點(diǎn)光源，投射光線并照亮場(chǎng)景。每個(gè)探頭可以放射狀地投射一條或多條射線。

這些探測(cè)器投射的光線被跟蹤、著色，并存儲(chǔ)輻照度和幾何距離等數(shù)據(jù)，并用于計(jì)算場(chǎng)景的最終照明。在最初的光線追蹤游戲中，大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員使用一個(gè)（或兩個(gè)）光探測(cè)器來(lái)計(jì)算漫反射光照。在 Metro Exodus 中，這是太陽(yáng)和天空的紋理。在增強(qiáng)版中，這擴(kuò)展到了 256 個(gè)光源或探頭。因此，總的來(lái)說(shuō)，您有256 個(gè)光源，加上來(lái)自太陽(yáng)和天空的光線都用于計(jì)算每個(gè)像素的光照。1080p 顯示器有 200 萬(wàn)像素，1440p 有 400 萬(wàn)像素，4K 有 800 萬(wàn)像素！

為了確保現(xiàn)代硬件能夠真正運(yùn)行游戲，開(kāi)發(fā)人員使用網(wǎng)格單元或集群來(lái)劃分場(chǎng)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(jì)算場(chǎng)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(gè)部分（取決于它們?cè)?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(wèn)題。

另一項(xiàng)優(yōu)化涉及累積來(lái)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(shí)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(wú)限的光線反彈。您實(shí)際上是在多個(gè)幀上臨時(shí)投射漫射光線，以減少性能影響并使該方法更適合實(shí)時(shí)使用。由于漫射光線的影響是微妙的（但在光線不足的場(chǎng)景中很明顯），它不會(huì)受到通常與時(shí)間渲染技術(shù)相關(guān)的問(wèn)題的影響。

虛幻引擎 5：Lumen與光線追蹤

好的，所以在我們開(kāi)始之前，讓我們把一件事說(shuō)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(wú)需擁有 1000 美元的 GPU。

Lumen 是虛幻引擎 5 的全新全動(dòng)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(jì)。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(wú)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(hào)距離場(chǎng) (SDF) 和網(wǎng)格距離場(chǎng) (MDF)，根據(jù)對(duì)象及其與屏幕的距離計(jì)算場(chǎng)景的全局照明，以及某些其他因素。

有符號(hào)距離場(chǎng)和網(wǎng)格距離場(chǎng)

在我們繼續(xù)之前，您需要知道有符號(hào)距離場(chǎng)（和網(wǎng)格距離場(chǎng)）是什么。雖然這聽(tīng)起來(lái)像是一個(gè)非常復(fù)雜的術(shù)語(yǔ)，但SDF 基本上是一個(gè)特定方向的距離向量。讓我們以下面的例子來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)：

光線從相機(jī)投射，穿過(guò)屏幕，然后接近圓形表面。現(xiàn)在，通過(guò)光線追蹤，最重要的部分是確定哪些光線擊中場(chǎng)景中的對(duì)象，哪些未命中。SDF 用于此目的，更具體地說(shuō)，是找出（對(duì)于從特定方向開(kāi)始的光線）對(duì)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(jì)算SDF 意味著找出我們可以（至少）沿著射線在那個(gè)方向上走多遠(yuǎn)。然后，覆蓋這么多距離并重新評(píng)估 SDF。這整個(gè)過(guò)程稱為光線行進(jìn)?，F(xiàn)在對(duì)網(wǎng)格采用相同的方法，得到網(wǎng)格距離場(chǎng) (MDF)。無(wú)論哪種方式，在這種情況下，光線實(shí)際上并沒(méi)有擊中圓，因此該過(guò)程在預(yù)定數(shù)量的步驟后結(jié)束。以防萬(wàn)一，SDF 將被用于計(jì)算照明和其他相關(guān)方程。

全局距離場(chǎng)、網(wǎng)格距離場(chǎng)和屏幕跟蹤

是最快的，但準(zhǔn)確度要低得多。這對(duì)他們有利，因?yàn)樗鼈冇糜趫?chǎng)景的抽象外骨骼，例如墻壁、地板和大（但簡(jiǎn)單）的紋理塊（例如墊子）。網(wǎng)格距離場(chǎng)更詳細(xì)，但僅在對(duì)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(duì)象與相機(jī)的距離。

lumen 中的軟件光線追蹤過(guò)程從屏幕空間光線追蹤或屏幕追蹤開(kāi)始，它針對(duì)深度緩沖區(qū)中的幾何體/對(duì)象（在屏幕上可見(jiàn)）進(jìn)行。正如您在本節(jié)開(kāi)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(gè)網(wǎng)格距離場(chǎng)用于附近的對(duì)象，其次是全局距離場(chǎng)用于場(chǎng)景的其余部分

網(wǎng)格距離場(chǎng)（稱為詳細(xì)跟蹤）跟蹤距離相機(jī)最遠(yuǎn) 2 米的對(duì)象，而其余部分使用全局距離場(chǎng)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(gè)場(chǎng)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(duì)象輪廓跟蹤它們，但比 MDF 快得多。此外，目標(biāo)對(duì)象的性質(zhì)/距離意味著這非常有效。另一方面，MDF 跟蹤場(chǎng)景中各種對(duì)象的（相對(duì)）低多邊形版本以計(jì)算照明（對(duì)于高達(dá) 2 米的對(duì)象）。

為了進(jìn)一步加快這個(gè)過(guò)程，Lumen 使用了Surface Cache。Surface 緩存從各個(gè)角度捕獲對(duì)象的幾何屬性，并以各種圖集（緩存）的形式離線存儲(chǔ)它們。當(dāng)玩家四處移動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生捕獲，當(dāng)您靠近時(shí)以更高的分辨率進(jìn)行捕獲，而當(dāng)您遠(yuǎn)離對(duì)象時(shí)以較低的分辨率進(jìn)行捕獲。但是，這僅適用于內(nèi)部簡(jiǎn)單的網(wǎng)格。緩存發(fā)生在有限數(shù)量的對(duì)象多邊形（幾百 MB 的 VRAM）中，并且需要各種對(duì)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?dòng)態(tài)的并且隨著每一幀（變形/移動(dòng)等）而改變其形狀。因此，需要為每一幀創(chuàng)建這些對(duì)象的 BVH 結(jié)構(gòu)，而 Lumen 的 SW 光線追蹤器無(wú)法做到這一點(diǎn)。Lumen SW 在運(yùn)行時(shí)只為靜態(tài)網(wǎng)格創(chuàng)建一次 BVH 對(duì)象，這大大加快了進(jìn)程，但對(duì)于動(dòng)態(tài)網(wǎng)格卻毫無(wú)用處。

Lumen 還帶有硬件光線追蹤，但大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員會(huì)堅(jiān)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(lái)重疊網(wǎng)格，因?yàn)樗鼈儠?huì)大大減慢光線遍歷過(guò)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(gè)距離場(chǎng)中。

總的來(lái)說(shuō)，Lumen 看起來(lái)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(huì)看到與其他開(kāi)源技術(shù)（FXAA、SMAA 甚至 TAA）相同的采用量.?從好的方面來(lái)說(shuō)，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(wú)需付出太多努力。此外，它還將推動(dòng)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