虛幻引擎 5 中的 Lumen 是一個完全動態(tài)的全局照明和反射系統(tǒng)。它可以在虛幻引擎 5 中使用，因此創(chuàng)作者無需自行設(shè)置。它是為下一代控制臺和建筑可視化等高端可視化而設(shè)計的。那么它提供了哪些功能以及如何工作？

全局照明

當(dāng)光離開光源時，它會照亮光可以到達的所有表面。這在計算機圖形學(xué)中稱為直接照明。在現(xiàn)實生活中，光并不止于此，它會從表面反射，呈現(xiàn)出相應(yīng)的顏色，并照亮其他表面。從粗糙表面向各個方向反射的光稱為漫反射間接照明或全局照明。從光滑表面鏡面反射的光稱為反射。最終，光線到達眼睛或相機形成圖像。

過去，游戲的全局照明必須離線計算，因為計算量太大而無法實時計算。該離線過程稱為光照貼圖烘焙。在虛幻引擎中，光照貼圖使用CPU Lightmass或GPU Lightmass進行烘焙。靜態(tài)光照貼圖提供高質(zhì)量的光照，但需要較長的構(gòu)建時間。它們限制了游戲環(huán)境。改變間接照明（例如移動壁掛式電視）會導(dǎo)致照明不正確，如下兩張圖所示：

傳統(tǒng)上，具有動態(tài)場景的游戲依賴于基于輻照度探頭的照明和環(huán)境光遮擋等技術(shù)來近似全局照明。高質(zhì)量的實時全局照明一直難以實現(xiàn)。

Lumen 實時模擬場景周圍的光線反射，通過自動更新間接照明來改變游戲世界。這意味著玩家可以破壞部分關(guān)卡、更改一天中的時間或淹沒部分關(guān)卡，并且照明將相應(yīng)地發(fā)生實際變化。不會再有“照明需要重建”的消息。游戲開發(fā)者在虛幻編輯器中進行更改時不再需要重建光照 - Lumen 可以實時處理它。

Lumen 提供高質(zhì)量的實時全局照明，包括滲色和間接陰影等效果。Lumen 支持無限數(shù)量的漫反射光反射，這對于具有明亮表面的場景（例如下面場景中的白色疼痛）非常重要。

流明不僅可以解決全局照明問題，還可以處理天空陰影問題。天空陰影導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境比室外環(huán)境顯得更暗。

Lumen 還可以準(zhǔn)確地傳播來自燈和窗戶等發(fā)光材料的光，而無需任何額外的性能成本。然而，在出現(xiàn)噪聲偽影之前，發(fā)射區(qū)域的小度和亮度是有限的。從發(fā)射材料傳播光本質(zhì)上比從手動放置的光源傳播光更困難。

Lumen 還可以解決半透明材質(zhì)和體積霧的全局照明，但質(zhì)量較低。在下面的示例中，發(fā)射標(biāo)志網(wǎng)格動態(tài)地照亮體積霧。

反射

Lumen 可以動態(tài)計算任何粗糙度水平的表面的反射。這取代了對預(yù)先計算的反射技術(shù)（例如反射捕獲、平面反射和屏幕空間反射）的需求。

Lumen 僅僅解決從相機直接可見的動態(tài)全局照明是不夠的；Lumen 還提供動態(tài) GI 和在反射中看到的陰影天光。這可以實現(xiàn)更真實、更準(zhǔn)確的反射。

Lumen反射可以準(zhǔn)確地模擬涂層材料，例如汽車油漆，其外涂層具有鏡面反射，同時內(nèi)層也具有更光滑的反射。這使得涂層材料的反射更加真實。

Lumen 中的光線追蹤

Lumen 利用光線追蹤來計算照明效果。它使用場景的近似版本來實現(xiàn)更快的光線交叉?？梢酝ㄟ^切換到流明場景視圖模式來查看該場景。此視圖顯示當(dāng) Lumen 跟蹤光線以計算全局照明和反射時，場景在 Lumen 中的顯示方式。

默認(rèn)情況下，Lumen 使用網(wǎng)格距離場，這是一種軟件光線追蹤技術(shù)。這是因為它不需要支持硬件光線追蹤的顯卡。距離場以允許光線快速相交的方式表示網(wǎng)格表面。

Lumen 中的軟件光線追蹤還使用全局距離場，將所有網(wǎng)格合并到一個距離場中。即使有許多重疊的網(wǎng)格，這也能提供非常快速的光線交叉——這是使用大量詳細的 Megascans 資源時的常見情況。Epic在 Nanite 之地和遠古之谷技術(shù)演示中僅使用全局距離場演示了 Lumen，因為這些場景中存在大量網(wǎng)格重疊。

表面緩存視圖

當(dāng)光線照射到表面時，Lumen 必須評估材料和入射光，這是昂貴且低效的。多條光線可能會擊中同一點，并且材質(zhì)可能有許多紋理查找。為了優(yōu)化這一點，Lumen 將表面信息緩存在其默認(rèn)啟用的Surface Cache中。

表面緩存通過選擇捕捉每個網(wǎng)格的方向來填充，以便覆蓋所有表面。當(dāng)玩家移動時，Lumen 會將附近的網(wǎng)格重新捕獲到表面緩存圖集中。納米幾何系統(tǒng)有助于加速這些渲染，盡管 Lumen 不需要它。然后，表面被照亮，包括多重反射全局照明和天空照明，這將在反射中看到。然后，表面緩存照明就可以加速全局照明和反射等功能。

Surface Cache 是 Lumen 中的一項關(guān)鍵優(yōu)化，但也對內(nèi)容有影響。只能支持具有簡單外部的網(wǎng)格 - 墻壁、地板和天花板應(yīng)該是單獨的網(wǎng)格。將帶有家具的整個房間作為單個網(wǎng)格導(dǎo)入預(yù)計不會與 Lumen 配合良好。Lumen 需要單獨的網(wǎng)格來有效地緩存表面信息。

Surface Cache View 中的粉色區(qū)域缺乏全局照明覆蓋。它們在反射中會顯示為黑色，并導(dǎo)致與視圖相關(guān)的照明錯誤，因為只有流明屏幕跡線在那里處于活動狀態(tài)。

最終聚集和去噪

光線追蹤是一項要求很高的操作，因此我們無法追蹤很多光線。同時，屏幕上的每個像素都需要全局照明，其中考慮來自每個表面的光。我們無法追蹤所有方向的光線，因此我們必須追蹤一小部分。如果我們錯過了重要的光線方向，它將顯示為噪聲，因此我們必須策略性地確定跟蹤哪些方向并盡可能地重復(fù)使用跟蹤。

Lumen 使用基于輻射緩存的高級最終聚集算法來實現(xiàn)漫反射全局照明。Lumen 的最終聚集使用屏幕空間輻射率緩存來大大減少主屏幕的全局照明計算?？s小尺寸的間接照明與全分辨率材質(zhì)數(shù)據(jù)集成，以創(chuàng)建全分辨率著色。

入射光在輻射緩存內(nèi)進行過濾，這大大減少了噪聲并重復(fù)利用了附近像素之間的少量光線軌跡。這與普通的屏幕空間降噪器不同，因為我們?nèi)栽谙虏蓸拥妮椛渚彺婵臻g中工作，這要高效得多。

Lumen 仔細地確定追蹤光線的方向。它檢查前一幀中具有明亮照明的方向，這種技術(shù)稱為傳入照明的重要性采樣。前一幀的光照用于引導(dǎo)當(dāng)前幀中的光線追蹤位置，從而獲得與追蹤四倍光線相同的質(zhì)量，同時運行速度更快。在下面的場景中，使用重要性采樣選擇白色光線。

最后，Lumen 將附近的照明與遠處的照明分開，并為遠處的照明追蹤更多的光線，以通過一種稱為世界空間輻射緩存的技術(shù)來減少噪音。當(dāng)僅通過通過小窗戶射入的天空光來照亮室內(nèi)房間時，這一點尤其有價值，并且對于室內(nèi)環(huán)境中的 Lumen 質(zhì)量至關(guān)重要。

對于粗糙表面上的反射，Lumen 重復(fù)使用屏幕空間輻射緩存，無需額外費用。這使得 Lumen 能夠在汽車油漆等光澤涂層材料上提供第二層反射，而無需執(zhí)行兩次單獨的計算，這會使成本加倍。

所有這些采樣和降噪技術(shù)對于 Lumen 的高質(zhì)量和高效率至關(guān)重要。雖然 Lumen 不是為直接照明而創(chuàng)建的，但由于最終聚集的保真度，有時可以使用發(fā)射幾何體完全照亮場景。在《黑客帝國：覺醒：虛幻引擎 5體驗》中，實驗性夜間模式僅利用流明全局照明和反射來傳播來自數(shù)百萬個發(fā)射窗網(wǎng)格的光線；藝術(shù)家沒有添加任何光源。

性能和質(zhì)量

Lumen 主要依靠虛幻引擎 5 的時間超分辨率算法進行時間上采樣來實現(xiàn) 4K 輸出。與以明顯較低的質(zhì)量設(shè)置在 4K 下本地運行 Lumen 相比，這可提供最佳的最終圖像質(zhì)量。

當(dāng)引擎使用全局照明和反射的高可擴展級別時，流明可以在下一代控制臺上達到 60 FPS，盡管這些設(shè)置的質(zhì)量仍需要改進。

在其他方面，Lumen 可以通過以下方式提高質(zhì)量：

• 提高后處理體積設(shè)置中的最終聚集質(zhì)量利用硬件光線追蹤當(dāng)光線照射到表面時利用命中照明來獲得更高的質(zhì)量，而不是表面緩存

• 隨著設(shè)置的增加，Lumen 可以為高端建筑可視化提供高質(zhì)量的實時全局照明和反射。

這就是關(guān)于虛幻引擎 5 中 Lumen 的全部內(nèi)容。希望您喜歡這篇文章并掌握其功能和內(nèi)部工作原理。

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