Unreal4Lightmass全局光照讲解0036bate1

Posted 2023-04-01

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Unreal4Lightmass全局光照讲解0036bate1相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

参考技术A 全局光照（Lightmass）创建具有复杂光交互作用的光照图，例如区域阴影和漫反射。它用于预计算具有固定和静止运动性的光源的照明贡献部分。

编辑器和全局光照之间的通信由 Swarm Agent 处理，它管理本地的照明构建，也可以将照明构建分发到远程机器。默认情况下以最小化方式打开的Swarm Agent还会跟踪照明构建进度，并让你了解哪些机器为你工作，它们在做什么，以及每个机器使用了多少线程。

漫反射
漫反射（Diffuse Interreflection）是目前为止视觉上最重要的全局照明效果。在默认情况下，光源以全局光照反射，而材质的基本颜色（BaseColor）项控制有多少光（和什么颜色）向各个方向反射。这种效果有时被称为渗色。漫反射是入射光在各个方向上均匀反射，即不受观测方向或位置的影响。

这里是一个由全局光照创建的场景，只有一个方向的光，且仅显示直接照明。光源无法直接照射的区域是黑色的。这是没有全局照明的结果。

然后间接照明缓存使用这些照明样本内插可移动对象的间接照明。间接照明影响光源环境阴影的颜色，而不是方向。使用显示（Show）->可视化（Visualize）->体积照明样本（Volume Lighting Samples）在你的视口中预览它们。

限制

全局光照会自动计算出详细的间接阴影，但是为了艺术目的夸大间接阴影或者增强场景的接近感是很有用的。

环境遮挡（Ambient occlusion）是你从一个均匀明亮的上半球得到的间接阴影，就像阴天。全局光照支持计算环境遮挡，将其应用于直接和间接照明，然后将其烘焙成光照图。默认情况下，环境遮挡是启用的，可以通过取消选中世界场景设置（World Settings）下的全局光照（Lightmass）的全局光照设置（Lightmass Settings）中的使用环境遮挡（Use Ambient Occlusion）复选框来禁用。

环境法线天空遮挡
当启用具有固定移动性的天空光照（Sky Light）具有固定移动能力时，全局光照以环境法线的形式产生定向遮挡。

全局光照计算固定光源（Stationary Lights）的距离场阴影贴图。距离场阴影贴图即使在较低的分辨率下也能很好地保持其曲线形状；然而，它们不支持区域阴影或半透明阴影。

区域光源和阴影
采用全局光照时，所有具有静态移动性的光源在默认情况下都是区域光源。点光源和聚光灯光源使用的形状是一个球体，其半径是由全局光照设置（Lightmass Settings）下的光源半径（Light Source Radius）设置的。定向光源使用一个圆盘，位于场景的边缘。光源的大小是控制阴影柔度的两个因素之一，因为较大的光源会产生较柔和的阴影。另一个因素是从接收位置到阴影投射物的距离。随着距离的增加，阴影变得柔和，就像在现实生活中一样。

光在通过应用到静态阴影投射网格体的半透明材质之后，将失去一些能量，导致半透明的阴影。

穿过材质的光称为透射光，每个颜色通道的透射光量在0到1之间。值为0表示完全不透明，1意味着入射光可以不受影响的穿过。由于透射光没有材质输入，所以目前是由以下其他材质输入得出的：

这意味着在不透明度为0时，该材质不会过滤掉入射光，也不会有半透明的阴影。在不透明度为1时，入射光将被材质的自发光或基本颜色（取决于是否被点亮）过滤。请注意，间接照明有时会洗掉半透明的阴影，使它们比半透明材料的自发光或漫反射更不饱和。

有几个因素控制半透明阴影清晰度。

渲染期间，光照像素颜色被确定为基本颜色 * 照明，所以基本颜色直接影响光照的可见度。高对比度或暗漫反射纹理使光照很难被注意到，而低对比度中距离漫反射纹理让光照的细节表现出来。

全局照明（也称为间接光照和间接照明）模拟与几何体和材质表面的照明交互，以向场景和项目中添加逼真的照明。该模拟还考虑了与之相互作用的材料的吸收和反射率。

可通过以下两种方式之一来模拟光在3D世界中的行为方式：使用支持光运动的和动态光交互的实时照明方法，或使用预先计算（或烘焙）的照明信息（存储在应用于几何体的纹理中）表面。虚幻引擎提供了这两种照明场景的方式，并且它们并不是彼此唯一的，因为它们可以彼此无缝融合。

虚幻引擎中的灯光烘焙系统提供了两种使用Lightmass计算灯光数据的方式：在CPU或GPU上。预计算的照明用于获得不受实时限制影响的高质量结果。但是，由于照明是生成的并存储在应用于几何体的纹理中，因此无法动态更改。

在下面探索可用的预先计算的照明工作流程。

全局光照:光线追踪路径追踪与GI技术进化编年史

全局光照（Global Illumination,简称 GI），作为图形学中比较酷的概念之一，是指既考虑场景中来自光源的直接光照，又考虑经过场景中其他物体反射后的间接光照的一种渲染技术。

大家常听到的光线追踪，路径追踪等同样很酷的概念，都是全局光照中人气较高的算法流派。

而这篇文章将围绕全局光照技术，介绍的要点有：

全局光照的基本概念
全局光照的算法主要流派
全局光照技术进化编年史
光线追踪 Ray Tracing
路径追踪 Path Tracing
光线追踪、路径追踪、光线投射的区别
环境光遮蔽 Ambient Occlusion

一、行文思路说明

阅读过《Real-Time Rendering 3rd》第九章的读者们都会发现，作为一章关于全局光照的章节，作者讲了不少在严格意义上全局光照主线以外的内容，如Reflections、Refractions、Shadow等节，而这些内容在《Real-Time Rendering 2nd》中，其实是放在Chapter 6 Advanced Lighting and Shading一节的。

既然《Real-Time Rendering 3rd》第九章标题就叫全局光照，核心内容也是全局光照，本文即决定脱离原书安排的100来页的多余内容，以全局光照的主线内容为主，构成一篇包含全局光照基本概念，主要算法流派，以及全局光照技术进化编年史，和全局光照算法中人气较高的光线追踪、路径追踪等算法的综述式文章。

二、全局光照

全局光照，(Global Illumination,简称 GI), 或被称为Indirect Illumination, 间接光照，是指既考虑场景中直接来自光源的光照（Direct Light）又考虑经过场景中其他物体反射后的光照（Indirect Light）的一种渲染技术。使用全局光照能够有效地增强场景的真实感。

即可以理解为：全局光照 = 直接光照(Direct Light) + 间接光照(Indirect Light)

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图1 Direct illumination

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图2 Global illumination = Direct illumination +Indirect illumination

上述两幅图片来自CMU 15-462/15-662, Fall 2015 Slider，Lecture 14: Global Illumination,当然，细心的朋友也可以发现，它也被《Physically Based Rendering,Second Edition From Theory To Implementation》选作封面。

可以发现，加入了Indirect illumination的图2，在直接光源（阳光）照射不到的地方，得到了更好的亮度和细节表现，从而使整张渲染效果更具真实感。

虽说实际应用中只有漫反射全局照明的模拟算法被称为全局照明算法，但其实理论上说反射、折射、阴影都属于全局光照的范畴，因为模拟它们的时候不仅仅要考虑光源对物体的直接作用还要考虑物体与物体之间的相互作用。也是因为，镜面反射、折射、阴影一般不需要进行复杂的光照方程求解，也不需要进行迭代的计算。因此，这些部分的算法已经十分高效，甚至可以做到实时。不同于镜面反射，光的漫反射表面反弹时的方向是近似“随机”，因此不能用简单的光线跟踪得到反射的结果，往往需要利用多种方法进行多次迭代，直到光能分布达到一个基本平衡的状态。

三、全局光照的主要算法流派

经过几十年的发展，全局光照现今已有多种实现方向，常见的全局光照主要流派列举如下：

Ray tracing 光线追踪
Path tracing 路径追踪
Photon mapping 光子映射
Point Based Global Illumination 基于点的全局光照
Radiosity 辐射度
Metropolis light transport 梅特波利斯光照传输
Spherical harmonic lighting 球谐光照
Ambient occlusion 环境光遮蔽
Voxel-based Global Illumination 基于体素的全局光照
Light Propagation Volumes Global Illumination
Deferred Radiance Transfer Global Illumination
Deep G-Buffer based Global Illumination
等。

而其中的每种流派，又可以划分为N种改进和衍生算法。

如光线追踪（Ray Tracing）派系，其实就是一个框架，符合条件的都可称为光线追踪，其又分为递归式光线追踪（Whitted-style Ray Tracing），分布式光线追踪（DistributionRay Tracing），蒙特卡洛光线追踪（Monte Carlo Ray Tracing）等。

而路径追踪（Path tracing）派系，又分为蒙特卡洛路径追踪（Monte Carlo Path Tracing），双向路径追踪（BidirectionalPath Tracing），能量再分配路径追踪（Energy Redistribution PathTracing）等。

其中有些派系又相互关联，如路径追踪，就是基于光线追踪，结合了蒙特卡洛方法而成的一种新的派系。

四、全局光照技术进化编年史

这节以光线追踪和路径追踪派系为视角，简单总结一下全局光照技术发展早期（1968-1997）的重要里程碑。

4.1 光线投射 Ray Casting [1968]

光线投射（Ray Casting），作为光线追踪算法中的第一步，其理念起源于1968年，由Arthur Appel在一篇名为《 Some techniques for shading machine rendering of solids》的文章中提出。其具体思路是从每一个像素射出一条射线，然后找到最接近的物体挡住射线的路径，而视平面上每个像素的颜色取决于从可见光表面产生的亮度。

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图3 光线投射：每像素从眼睛投射射线到场景

4.2 光线追踪 Ray Tracing [1979]

1979年，Turner Whitted在光线投射的基础上，加入光与物体表面的交互，让光线在物体表面沿着反射，折射以及散射方式上继续传播，直到与光源相交。这一方法后来也被称为经典光线跟踪方法、递归式光线追踪（Recursive Ray Tracing）方法，或 Whitted-style 光线跟踪方法。

光线追踪方法主要思想是从视点向成像平面上的像素发射光线，找到与该光线相交的最近物体的交点，如果该点处的表面是散射面，则计算光源直接照射该点产生的颜色；如果该点处表面是镜面或折射面，则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线，如此递归下去，直到光线逃逸出场景或达到设定的最大递归深度。

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图4 经典的光线追踪：每像素从眼睛投射射线到场景，并追踪次级光线（(shadow, reflection, refraction），并结合递归

4.3 分布式光线追踪 Distributed Ray Tracing [1984]

Cook于1984年引入蒙特卡洛方法（Monte Carlo method）到光线跟踪领域，将经典的光线跟踪方法扩展为分布式光线跟踪算法（Distributed Ray Tracing），又称为随机光线追踪（stochasticray tracing），可以模拟更多的效果，如金属光泽、软阴影、景深（ Depthof Field）、运动模糊等等。

4.4 渲染方程 The Rendering Equation [1986]

在前人的研究基础上，Kajiya于1986年进一步建立了渲染方程的理论，并使用它来解释光能传输的产生的各种现象。这一方程描述了场景中光能传输达到稳定状态以后，物体表面某个点在某个方向上的辐射率（Radiance）与入射辐射亮度等的关系。

可以将渲染方程理解为全局光照算法的基础，Kajiya在1986年第一次将渲染方程引入图形学后，随后出现的很多全局光照的算法，都是以渲染方程为基础，对其进行简化的求解，以达到优化性能的目的。渲染方程根据光的物理学原理，以及能量守恒定律，完美地描述了光能在场景中的传播。很多真实感渲染技术都是对它的一个近似。渲染方程在数学上的表示如下：

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图5 渲染方程描述了从x点沿某一方向看的光放射的总额。

4.5 路径追踪 Path Tracing [1986]

Kajiya也于1986年提出了路径追踪算法的理念，开创了基于蒙特卡洛的全局光照这一领域。根据渲染方程， Kajiya 提出的路径追踪方法是第一个无偏（Unbiased）的渲染方法。路径追踪的基本思想是从视点发出一条光线，光线与物体表面相交时根据表面的材质属性继续采样一个方向，发出另一条光线，如此迭代，直到光线打到光源上（或逃逸出场景），然后用蒙特卡洛的方法，计算其贡献，作为像素的颜色值。

4.6 双向路径追踪 Bidirectional Path Tracing [1993，1994]

双向路径追踪（Bidirectional Path Tracing）的基本思想是同时从视点、光源打出射线，经过若干次反弹后，将视点子路径（ eye path）和光源子路径（ light path）上的顶点连接起来（连接时需要测试可见性），以快速产生很多路径。这种方法能够产生一些传统路径追踪难以采样到的光路，所以能够很有效地降低噪声。进一步的， [Veach 1997]将渲染方程改写成对路径积分的形式，允许多种路径采样的方法来求解该积分。

4.7 梅特波利斯光照传输 Metropolis Light Transport [1997]

Eric Veach等人于1997年提出了梅特波利斯光照传输（Metropolis Light Transport，常被简称为MLT）方法。路径追踪（ Path Tracing）中一个核心问题就是怎样去尽可能多的采样一些贡献大的路径，而该方法可以自适应的生成贡献大的路径，简单来说它会避开贡献小的路径，而在贡献大的路径附近做更多局部的探索，通过特殊的变异方法，生成一些新的路径，这些局部的路径的贡献往往也很高。与双向路径追踪相比， MLT 更加鲁棒，能处理各种复杂的场景。比如说整个场景只通过门缝透进来的间接光照亮，此时传统的路径追踪方法因为难以采样到透过门缝的这样的特殊路径而产生非常大的噪声。

五、光线追踪 Ray Tracing

光线追踪（Ray tracing）是三维计算机图形学中的特殊渲染算法，跟踪从眼睛发出的光线而不是光源发出的光线，通过这样一项技术生成编排好的场景的数学模型显现出来。这样得到的结果类似于光线投射与扫描线渲染方法的结果，但是这种方法有更好的光学效果，例如对于反射与折射有更准确的模拟效果，并且效率非常高，所以当追求高质量的效果时经常使用这种方法。

上文已经提到过，Whitted于1979年提出了使用光线跟踪来在计算机上生成图像的方法，这一方法后来也被称为经典光线跟踪方法、递归式光线追踪方法，或 Whitted-style 光线跟踪方法。其主要思想是从视点向成像平面上的像素发射光线，找到与该光线相交的最近物体的交点，如果该点处的表面是散射面，则计算光源直接照射该点产生的颜色；如果该点处表面是镜面或折射面，则继续向反射或折射方向跟踪另一条光线，如此递归下去，直到光线逃逸出场景或达到设定的最大递归深度。

以下这张图示可以很好的说明光线追踪方法的思路：

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图6 Ray Tracing Illustration First Bounce

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图7 光线追踪渲染出的效果图1

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图8 光线追踪渲染出的效果图2

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图9 光线追踪渲染效果图 @Caustic-Graphics，Inc

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图10 典型的光线追踪渲染效果图

光线跟踪的一个最大的缺点就是性能，需要的计算量非常巨大，以至于目前的硬件很难满足实时光线追踪的需求。传统的光栅图形学中的算法，利用了数据的一致性从而在像素之间共享计算，但是光线跟踪通常是将每条光线当作独立的光线，每次都要重新计算。但是，这种独立的做法也有一些其它的优点，例如可以使用更多的光线以抗混叠现象，并且在需要的时候可以提高图像质量。尽管它正确地处理了相互反射的现象以及折射等光学效果，但是传统的光线跟踪并不一定是真实效果图像，只有在非常近似或者完全实现渲染方程的时候才能实现真正的真实效果图像。由于渲染方程描述了每个光束的物理效果，所以实现渲染方程可以得到真正的真实效果，但是，考虑到所需要的计算资源，这通常是无法实现的。于是，所有可以实现的渲染模型都必须是渲染方程的近似，而光线跟踪就不一定是最为可行的方法。包括光子映射在内的一些方法，都是依据光线跟踪实现一部分算法，但是可以得到更好的效果。

用一套光线追踪的伪代码，结束这一节的介绍：

[cpp] view plain copy

for each pixel of the screen
{
Final color = 0;
Ray = { starting point, direction };
Repeat
{
for each object in the scene
{
determine closest ray object/intersection;
}
if intersection exists
{
for each light inthe scene
{
if the light is not in shadow of anotherobject
{
addthis light contribution to computed color;
}
}
}
Final color = Final color + computed color * previous reflectionfactor;
reflection factor = reflection factor * surface reflectionproperty;
increment depth;
} until reflection factor is 0 or maximumdepth is reached
}

六、路径追踪 Rath Tracing

路径追踪（Rath Tracing）方法由Kajiya在1986年提出，是第一个无偏（Unbiased）的渲染方法。

路径追踪方法的基本思想是从视点发出一条光线，光线与物体表面相交时根据表面的材质属性继续采样一个方向，发出另一条光线，如此迭代，直到光线打到光源上（或逃逸出场景），然后用蒙特卡洛方法，计算光线的贡献，作为像素的颜色值。而使用蒙特卡洛方法对积分的求解是无偏的，只要时间足够长，最终图像能收敛到一个正确的结果。

简单来说，路径追踪 = 光线追踪+ 蒙特卡洛方法。

这里有一个用99行代码实现路径追踪算法的一个简易全局光照渲染器，有兴趣的朋友可以进行了解：

http://www.kevinbeason.com/smallpt/

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图11 基于路径追踪渲染的效果图

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图12 基于路径追踪实现的次表面散射渲染效果图 ©Photorealizer

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图13 基于路径追踪渲染的效果图 ©http://www.pathtracing.com

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图14 基于路径追踪渲染的效果图 ©NVIDIA

七、Ray Casting , Ray Tracing，PathTracing区别

初学者往往会弄不明白光线投射（Ray Casting ），光线追踪（Ray Tracing），路径追踪（Path Tracing）三者的的区别，龚大@龚敏敏在https://www.zhihu.com/question/29863225这个答案中的回答已经很精辟，本文就直接引用了过来：

Ray Tracing：这其实是个框架，而不是个方法。符合这个框架的都叫raytracing。这个框架就是从视点发射ray，与物体相交就根据规则反射、折射或吸收。遇到光源或者走太远就停住。一般来说运算量不小。
Ray Casting：其实这个和volumetric可以脱钩。它就是ray tracing的第一步，发射光线，与物体相交。这个可以做的很快，在Doom 1里用它来做遮挡。
Path Tracing：是ray tracing + 蒙特卡洛法。在相交后会选一个随机方向继续跟踪，并根据BRDF计算颜色。运算量也不小。还有一些小分类，比如Bidirectional path tracing。

文末，简单聊一下环境光遮蔽，AO。