Lumen是虛幻引擎5中的全動態全局光照和反射系統，開箱即用。它專為次世代主機以及建筑可視化等非游戲領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，并概述其技術細節。

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光照可以帶來非常高的質量，但是需要很長的構建時間，并且極大地限制了游戲環境。任何會顯著改變間接光照的動作（如移動壁掛電視）都會使光照狀態變得不正確。

需要這些動態場景的游戲一直依賴于基于輻照度探頭的低質量光照，以及像環境光遮蔽這種提供近似全局光照效果的方法。在質量上能與烘焙光照相媲美的全局光照曾一直難以實現。

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。玩家可以破壞關卡中的大部分東西，更改當日時間，或照亮關卡的一部分，這些變化將自動傳播到光照中。游戲開發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也解決了導致室內環境比室外環境更暗的天空陰影問題。

Lumen還可以傳播自發光材質中的光線，并且不會產生任何額外成本，例如下面的燈和窗戶。自發光區域的大小和亮度存在限制，超出限制將產生噪點瑕疵。從本質上說，自發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，但質量較低。這里，自發光標志網格體動態地照亮了體積霧。

反射

Lumen以動態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（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容處理動態全局光照是不夠的；Lumen還提供了可在反射中看到的具有動態全局光照和陰影的天空光照。

模型由奧迪提供

Lumen反射支持鍍膜材質，比如這里的車漆，它的外層鍍膜具有鏡面反射，而內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默認使用網格體距離場，這種技術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光線交匯的方式表示網格體的表面。

軟件光線追蹤還會將網格體合并到一個全局距離場中，即使眾多網格體重疊在一起（這種情況在手工放置的Megascans資產中比較常見），也能實現非?？焖俚墓饩€交匯。Epic的技術演示《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，實現了高質量的反射、帶蒙皮的網格體和遼闊的視野范圍。

表面緩存

當光線射中表面時，Lumen需要評估材質和傳入的光照。如果每條光線在到達時都要執行這一過程，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格體，使網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格體的材質屬性，放入表面緩存圖集中。Nanite虛擬化幾何體系統可以大大加快這些網格體的渲染速度，盡管對于Lumen而言，這不是必需的，但多邊形計數較高的網格體受益尤其明顯。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。表面緩存光照現在已經可用于加速全局光照和反射等功能。

表面緩存是對Lumen的一項關鍵優化，但它也存在內容方面的注意事項。具體而言，它只支持內部結構簡單的網格體，這意味著墻壁、地板和天花板都應該是獨立的網格體。將包括家具在內的整個房間作為一個單獨的網格體導入，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。這些區域在反射中將顯示為黑色，并產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數據整合，產生全分辨率著色。

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，因為我們仍將在下采樣的輻射率緩存空間中進行操作，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，追蹤更多光線，從而解析遠處的光照，以減少噪點。當室內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確保室內質量的關鍵。

對于粗糙表面的反射，Lumen會復用屏幕空間輻射率緩存，避免產生額外的成本。因此，Lumen能夠在汽車清漆這樣的材質上提供第二層反射，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結合在一起，對Lumen的質量和性能起到了至關重要的作用。Lumen并不是為直接光照而設計的，但有時可以通過自發光網格體完全照亮場景，這要歸功于最終采集的質量。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百萬個自發光窗口網格體的光線，美術師沒有放置任何光源。

性能和質量

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量的最終圖像，而不是以明顯較低的質量設置在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量：

在后處理體積設置中提高最終采集質量

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，以獲得更高的質量。

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

結束語

Lumen仍在開發中，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量，并將用例擴展到汽車、虛擬制片和電影渲染。

本文轉自虛幻引擎官網~