在Playstation 5、Xbox Series X和Xbox Series S平臺(tái)發(fā)布的《堡壘之夜：大逃殺》第四章已經(jīng)默認(rèn)啟用了Lumen。在PC和云游戲平臺(tái)，只要將“全局光照”的質(zhì)量設(shè)為“高”或“史詩”，就能啟用Lumen，如果顯卡支持，還可以選擇使用硬件光線追蹤獲得更高的質(zhì)量。

《堡壘之夜：大逃殺》第四章中的Lumen

在第四章之前，由于技術(shù)限制，《堡壘之夜》在次世代主機(jī)上使用的是虛幻引擎4的動(dòng)態(tài)光照技術(shù)。我們只能使用距離場環(huán)境光遮蔽照亮環(huán)境，當(dāng)藍(lán)色的天空光照泄漏到建筑物中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)產(chǎn)生寒冷的感覺。在第四章中，Lumen高質(zhì)量地計(jì)算了全局光照，重新帶來了溫暖的陽光反射和精細(xì)的間接陰影。

距離場環(huán)境光遮蔽與Lumen全局光照的對比。自動(dòng)曝光已隨Lumen全局光照一起啟用。

有了精確的全局光照，室內(nèi)區(qū)域會(huì)明顯暗于室外，因?yàn)樘炜展庹毡徽_地阻擋住了，此時(shí)需要啟用自動(dòng)曝光。

在次世代主機(jī)上，之前版本的《堡壘之夜》由于技術(shù)限制，只能通過屏幕空間反射（SSR）實(shí)現(xiàn)反射。這種效果只能反射屏幕上顯示的內(nèi)容，不足以防止天空光照泄漏到建筑物中。SSR也只能在鏡面上提供良好的效果，所以粗糙表面上會(huì)缺少反射。《堡壘之夜》的美術(shù)師們一直在努力繞過這些限制，他們采用的方法是盡可能避免在室內(nèi)使用會(huì)產(chǎn)生鏡面反射的材質(zhì)！Lumen反射可以在光亮表面上提供精確的光線追蹤反射，即使是在室內(nèi)，也能夠正確渲染金屬和光滑材質(zhì)。美術(shù)師現(xiàn)在可以實(shí)時(shí)看到材質(zhì)對光照做出的完整反應(yīng)。

屏幕空間反射與Lumen反射在冰面上的對比。

Lumen反射在水面上也得到了廣泛應(yīng)用，它們比SSR更清晰，而且不局限于只能反射屏幕中的可見內(nèi)容。

屏幕空間反射與Lumen反射在水面上的對比。

《堡壘之夜：大逃殺》有許多需要用到動(dòng)態(tài)光照的游戲事件，包括當(dāng)日時(shí)間發(fā)生變化，玩家建造和破壞建筑物，以及打開門，等等。Lumen是完全動(dòng)態(tài)的，可以對這些變化做出實(shí)時(shí)反應(yīng)。為了降低成本，Lumen確實(shí)會(huì)將計(jì)算過程分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)幀中，但《堡壘之夜》的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高幀率，這在最大程度上減少了隨時(shí)間積累的偽影。

通往第四章的旅程

隨著虛幻引擎5.0版本中的工作圓滿結(jié)束，我們將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了《堡壘之夜：大逃殺》第四章以及它帶來的挑戰(zhàn)。《堡壘之夜》在主機(jī)上的最低目標(biāo)幀率為60FPS，每幀只占16.67毫秒，如果考慮到為動(dòng)態(tài)分辨率留出的余裕以及激烈戰(zhàn)斗中的游戲成本，每幀的時(shí)間甚至?xí)佟？紤]到各種渲染功能，動(dòng)態(tài)全局光照和反射加起來只能占用4毫秒。這個(gè)預(yù)算非常低，因?yàn)閷?A級游戲來說，僅僅在光線追蹤反射上花費(fèi)4毫秒也是很常見的。所以要在不影響次世代光照質(zhì)量的前提下，盡可能地做出各種優(yōu)化。

首先，必須決定要在《堡壘之夜：大逃殺》第四章中使用哪種光線追蹤方法。由于之前在主機(jī)平臺(tái)發(fā)布了《黑客帝國覺醒：虛幻引擎5體驗(yàn)》，并在其中啟用了使用硬件光線追蹤的Lumen，但是那個(gè)技術(shù)演示只有30FPS的預(yù)算。經(jīng)過一些早期測試，最終確定了，Lumen的軟件光線追蹤需要達(dá)到60FPS的預(yù)算，因?yàn)樗淖粉櫝杀据^低。但是，軟件光線追蹤的近似性質(zhì)帶來了一些挑戰(zhàn)，在植被質(zhì)量和水面反射方面尤其明顯。

《堡壘之夜：大逃殺》第四章中出現(xiàn)了森林和被草地覆蓋的連綿山丘。在之前發(fā)布的Lumen項(xiàng)目中，沒有大規(guī)模的植被，所以還沒有機(jī)會(huì)處理這方面的工作。對植被的過度遮蔽是最嚴(yán)重的問題之一。

Lumen的軟件光線追蹤使用全局有向距離場表示場景表面。有向距離場僅能表示不透明表面，在其中穿行的光線只會(huì)給出兩種結(jié)果：命中或未命中。這會(huì)導(dǎo)致在被建模成聚合體的植被網(wǎng)格體上，將出現(xiàn)嚴(yán)重的過度遮蔽。因此虛幻引擎團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種與有向距離場相交的新方法：光線每前行一步，都要做出是否相交的選擇。這使它成了一種隨機(jī)技術(shù)，也允許更加精確地對聚合幾何體進(jìn)行建模，同時(shí)保留在場景其他部分表現(xiàn)良好的有向距離場表示法。

利用半透明隨機(jī)距離場相交解決植被上的過度遮蔽問題。

有些問題解決起來比較容易。Lumen使用屏幕追蹤添加軟件光線追蹤所缺乏的細(xì)節(jié)，但草地的細(xì)節(jié)太過豐富，致使這些屏幕追蹤引發(fā)了明顯的鋸齒問題。一種簡單的解決措施是略過植被上的屏幕追蹤命中點(diǎn)，這足以解決偽影問題。

通過略過植被命中點(diǎn)，解決屏幕追蹤在草地上產(chǎn)生的嚴(yán)重噪點(diǎn)問題。

軟件光線追蹤的另一個(gè)大問題是，在反射中你會(huì)看到，表面上緩存的光照有著較低的分辨率。Lumen為每個(gè)網(wǎng)格體維護(hù)了一個(gè)分辨率相當(dāng)高的表面緩存，用來有效地為光線命中點(diǎn)提供光照，以此將它們合并到了一個(gè)更加模糊的體素化表示中。通過開發(fā)一個(gè)反向查找結(jié)構(gòu)，允許直接對被光線命中的每個(gè)網(wǎng)格體進(jìn)行表面緩存采樣，從而產(chǎn)生更精確的自發(fā)光光照和更清晰的水面反射。

當(dāng)光線直接對Lumen的表面緩存進(jìn)行采樣時(shí)，使用軟件光線追蹤將得到更加清晰的反射（為了取得可視化效果圖，屏幕追蹤已被禁用）。

說到水面反射，每當(dāng)Lumen的屏幕追蹤被前景物體阻斷時(shí)，我們都會(huì)在被阻斷的地方看到垂直條紋偽影。對于運(yùn)動(dòng)中的角色來說，這種偽影非常容易分散觀看者的注意力。Lumen的屏幕追蹤無法知道物體的厚度，所以我們必須切換到軟件光線追蹤才能處理剩下的光線，這往往會(huì)導(dǎo)致顏色出現(xiàn)差異。這甚至還不如屏幕空間反射，屏幕空間反射使用的是一種成本更低，但不太精確的光線相交方法，但支持在前景物體后方繼續(xù)相交。即使是對于軟件光線追蹤的命中點(diǎn)，我們也能通過對屏幕顏色的采樣解決垂直條紋問題，這減少了顏色不匹配的現(xiàn)象。值得注意的是該解決方案目前并沒有添加到UE5.1版本中。

通過對光線命中點(diǎn)的屏幕顏色進(jìn)行采樣，在最大程度上消除由屏幕追蹤和軟件光線追蹤之間的不匹配導(dǎo)致的垂直條紋現(xiàn)象。

質(zhì)量方面的其他改進(jìn)取得了出人意料的效果。為了符合四毫秒的預(yù)算，Lumen全局光照大幅降低了采樣率。這會(huì)使噪點(diǎn)變得更加明顯，并在游戲體驗(yàn)中分散玩家的注意力。通過整合NVIDIA的時(shí)空藍(lán)色噪點(diǎn)技術(shù)，大幅減少了噪點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)先優(yōu)化了噪點(diǎn)模式，當(dāng)噪點(diǎn)在多個(gè)幀中積累起來時(shí)，可以迅速消除它們。這樣一來，無需追蹤更多光線，就能得到更加干凈的間接光照。

有了時(shí)空藍(lán)色噪點(diǎn)技術(shù)，在穿門而入的天空光照中，噪點(diǎn)變少了。

美術(shù)方向的控件

美術(shù)師可以通過一些手段管理間接光照的美術(shù)方向，例如定向光源中的“間接光照強(qiáng)度”。《堡壘之夜》的美術(shù)師將這個(gè)值設(shè)為2.0，這樣可以增強(qiáng)被反射的光線，給游戲帶來溫暖的感覺。但室內(nèi)區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)問題：如果附近沒有窗戶或光源，使用精確的全局光照時(shí)，這個(gè)區(qū)域會(huì)變得非常暗。從室內(nèi)走向室外時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致曝光出現(xiàn)巨大波動(dòng)。美術(shù)師可以通過放置更多光源解決這個(gè)問題，但會(huì)增加陰影成本。

Lumen的間接光照開發(fā)了新控件：后期處理體積中的“天空光照泄漏”和“漫反射顏色增強(qiáng)”。“天空光照泄漏”可以在室內(nèi)稍微提升環(huán)境光照的強(qiáng)度，限制曝光范圍，而“漫反射顏色增強(qiáng)”可以增強(qiáng)經(jīng)過多次反射的間接光照。與添加更多光源不同，這兩個(gè)選項(xiàng)不會(huì)明顯增加GPU成本。考慮到可玩性，《堡壘之夜》的美術(shù)師最后使用了“天空光照泄漏”防止室內(nèi)區(qū)域變得太暗。

泄漏進(jìn)來的天空光照可防止區(qū)域變成純黑色。

精確的全局光照創(chuàng)造了高對比度光照，在這種情況下，單個(gè)曝光值無法取得良好的效果。圖像中的明亮區(qū)域（尤其是天空和被太陽照亮的表面）會(huì)曝光過度，而黑暗區(qū)域則曝光不足。虛幻引擎5.0引入了一個(gè)名為“局部曝光”的新功能，在《堡壘之夜》那些具有挑戰(zhàn)性的高動(dòng)態(tài)范圍光照條件中，美術(shù)師用它保留了高光和陰影細(xì)節(jié)。

通過局部曝光保留高光和陰影細(xì)節(jié)，這是UE 5.0中的新功能。使用Lumen時(shí)，務(wù)必設(shè)置局部曝光！

性能

Lumen非常依賴通過虛幻引擎5的時(shí)序超級分辨率（TSR）功能對4K輸出進(jìn)行時(shí)序上采樣。比起以質(zhì)量明顯較低的設(shè)置在4K原生環(huán)境下運(yùn)行Lumen，使用TSR在內(nèi)部渲染1080P分辨率可以提供最好的最終圖像質(zhì)量。

你可以配置Lumen，通過在平臺(tái)的設(shè)備配置文件中將“全局光照”質(zhì)量和“反射”質(zhì)量設(shè)置為“高”，在次世代主機(jī)上實(shí)現(xiàn)60FPS的目標(biāo)，具體做法如下：

將Lumen全局光照和反射質(zhì)量設(shè)置為“高”，目標(biāo)幀率為60FPS

添加控制臺(tái)變量sg.GlobalIlluminationQuality=2

添加控制臺(tái)變量sg.ReflectionQuality=2

Lumen全局光照通過降低采樣率，使其遠(yuǎn)低于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（對光線的逐像素采樣率降到原來的十六分之一），達(dá)到降低質(zhì)量級別的目的。當(dāng)追蹤如此少量的光線時(shí)，間接光照的時(shí)間穩(wěn)定性會(huì)降低，黑暗區(qū)域的噪點(diǎn)會(huì)變得更明顯。“天空光照泄漏”能夠有效地隱藏這些新出現(xiàn)的噪點(diǎn)。

60FPS設(shè)置下的Lumen對比30FPS設(shè)置下的Lumen。Lumen能夠更好地捕捉小細(xì)節(jié)，而且在30FPS的設(shè)置下，有著更高的時(shí)間穩(wěn)定性，這在截圖對比中無法體現(xiàn)出來。

制作《堡壘之夜：大逃殺》第四章時(shí)，團(tuán)隊(duì)對Lumen全局光照做出了許多小規(guī)模優(yōu)化，但對提升速度幫助最大的還是將整套方法遷移至異步計(jì)算管線中，這樣可以節(jié)省0.8毫秒。Lumen的各種算法中有很多計(jì)算調(diào)度，在兩次調(diào)度之間，GPU會(huì)有很短的空閑時(shí)間，但這些時(shí)間會(huì)累加起來。

此外，光線追蹤的調(diào)度往往會(huì)出現(xiàn)長尾效應(yīng)，少數(shù)光線完成調(diào)度的時(shí)間比其他光線更長。通過將這項(xiàng)工作遷移至異步計(jì)算管線，GPU能夠利用空白時(shí)間處理幀中的其他工作，這更充分地利用了GPU的處理能力。UE 5.2中將默認(rèn)為主機(jī)平臺(tái)啟用異步Lumen。

Lumen的工作現(xiàn)在是在異步計(jì)算管線中進(jìn)行的，這更充分地利用了GPU的計(jì)算能力。

在除水面外的其他地方，Lumen反射可將渲染分辨率降至一半，通過降低質(zhì)量級別來控制預(yù)算，實(shí)現(xiàn)60FPS的目標(biāo)。Lumen全局光照已經(jīng)能夠產(chǎn)生粗糙的反射，但是Lumen反射需要追蹤額外的光線才能獲得清晰的反射效果。根據(jù)屏幕上有多少足夠光滑的材質(zhì)需要反射光線，反射成本可能存在很大的變數(shù)。植被上的反射光線已經(jīng)在基礎(chǔ)通道和陰影深度中產(chǎn)生了較高的成本，通過更頻繁地略過這些反射光線，實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)非常重要的優(yōu)化，縮減了一到兩毫秒的時(shí)間，并且沒有造成明顯的質(zhì)量損失。

Xbox Series S帶來了一個(gè)特殊難題。Xbox Series X的GPU性能達(dá)到了12TF，而Xbox Series S的GPU性能只有4TF，所以需要為它降低內(nèi)部分辨率，但這樣做還不夠。團(tuán)隊(duì)不想退回到使用距離場環(huán)境光遮蔽，這將大大改變外觀。因此他們開發(fā)了一種模式，讓Lumen全局光照提供粗糙反射，同時(shí)使用屏幕空間反射實(shí)現(xiàn)鏡面反射。通過禁用Lumen反射，最終他們節(jié)省了大約1毫秒的時(shí)間，比起僅使用屏幕空間反射所能實(shí)現(xiàn)的效果，這種方式為我們帶來了更出色的外觀。

即使為了實(shí)現(xiàn)可延展性而禁用了Lumen反射，Lumen全局光照仍會(huì)提供粗糙反射。

成功地在4毫秒的平均成本預(yù)算內(nèi)整合了Lumen全局光照和反射，在次世代主機(jī)上實(shí)現(xiàn)了60FPS的幀率。《堡壘之夜：大逃殺》第四章在次世代主機(jī)上的平均內(nèi)部分辨率到達(dá)了4K的55%-60%，同時(shí)穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了60FPS的幀率。

降低質(zhì)量級別

《堡壘之夜》已登陸多個(gè)平臺(tái)，但只有最高端的平臺(tái)支持Lumen。游戲體驗(yàn)需要做到盡可能相似，不應(yīng)該讓美術(shù)師針對各個(gè)平臺(tái)重新設(shè)置光照。因此需要根據(jù)“全局光照”的質(zhì)量設(shè)置調(diào)整環(huán)境光照：

史詩級和高級

啟用Lumen，提供全局光照

使用Lumen的天空光照泄漏，防止黑暗區(qū)域變成純黑色

啟用自動(dòng)曝光，在室內(nèi)產(chǎn)生正確的曝光

啟用局部曝光

中級

為大規(guī)模環(huán)境光遮蔽啟用距離場環(huán)境光遮蔽（而非Lumen）

為小規(guī)模環(huán)境光遮蔽啟用屏幕空間環(huán)境光遮蔽

禁用自動(dòng)曝光

低級

天空光照無陰影

因?yàn)闆]有任何形式的天空光照陰影，所以通過r.SkylightIntensityMultiplier=0.7降低天空光照強(qiáng)度，使其與中級質(zhì)量更加匹配

本文轉(zhuǎn)自虛幻引擎官網(wǎng)~