小熊猫探讨——虚幻4的lpv全局光照
发表于2016-04-28
首先我也不是什么大神，只是拿出自己了解的和会的知识。首先lpv全称Light Propagation Volumes，中文称为光能传递，是一种实时生成光照环境的光照方案。当然虚幻4对于lpv官方说明地址是：https://docs.unrealengine.com/latest/INT/Engine/Rendering/LightingAndShadows/LightPropagationVolumes/index.html，不过个人觉得没多大用。在探究lpv之前，我想解释一下，游戏中的光照可能会是多种多样，复杂的先不说，方便新手和初识的人理解，在游戏中应用的光照常见的有2种，一种是以静态构建为光照贴图，一种则是完全的事实产生光照信息，
1、先说下前者，以虚幻引擎为例，虚幻3采用lightmass静态全局光构建，将光照信息写入场景，这种光照优点在于在用于打开产品时，计算机不需要实时计算光照环境，而只需要挂载构建好的光照数据即可，缺点则是无法提供逼真的光影环境，以及对于复杂场景的构建消耗的计算机硬件会随，举个简单的例子，一棵树经过lightmass后，投影写入地面，当树木被摧毁后，那么地上的影子则还是原来的形状，此处补充一点：只是举个例子，当然现在静态光可以用动态阴影。当然这不是重点。构建后的的光照，一般地图文件会大一些，因为包含了场景所有的光照数据。就相当于用3dmax进行效果图渲染。
2、在说下后者，实时动态全局光照，听名字就能看出，这种光照会实时的更新光影数据，让场景看起来更加逼真，这时我要补充一点，在游戏场景中，直接放入一个定向光，投影会是黑色的，导致这种情况是因为默认给的灯光是直接光照，而我们现实生活中则还有光子反弹、光的折射等各种光学变化，而实时动态全局光照（后面简称实时GI）正式为了要求而实现这些光学变化。复杂的成像原理就不多说了，随后给几个图就明白了，虚幻4在之前刚公布时，是svogi，一种实时gi算法，而后来放弃采用了lpv方法，最开始我们见到的lpv实时gi，则是这项技术的发明者crytek，大家对这家公司肯定很熟悉，著名cryengine曾经红遍大江南北。而虚幻4的lpv技术并不是来自epic，而是微软的工作室Lionhead为开发神鬼寓言:传奇而单独开发的技术，后被集成在虚幻4中，大家看到无论现在的虚幻4也好，寒霜或者是u3d5，都开始给自己产品整合实时gi，那么实时gi的好处在于无需花费大量时间和过多的计算机性能开销，就可取得逼真的光照效果，拥有静态光照所没有的复杂光照，缺点是现在实时gi的技术还不是绝对成熟，实现的细节丰富程度还达不到静态所呈现的效果。 在后面将会着重分析下lpv这套实时gi方案。
那么有了一个简单的介绍之后，我们本期的主人公登场lpv登场了。本篇文章仅限初学者和初级爱好者，对于什么更高级的人士诸如图形工程师神马的，可以洗洗睡了，lpv在虚幻4中开启的方式，我在本板块的虚幻4两套光照算法切换的帖子里已经说明了，各位对号入座好了。首先我着重的细说一下lpv，并会配上一些图来讲解一下。首先来看这么一张图：
如果不仔细看会看不出来什么，2张对比图，上图是静态gi，而下图是实时gi，很明显的则会注意到左边的树叶，那么在实时gi下，每个树叶片面接收到光照后则会向周围反射，同时这些反射带有颜色信息，例如下图，红色小球在反射光照下会在地面投射微弱的红色，再例如右侧的场景中，绿色小球反射在墙面上的颜色。
很明显的一组数据表明，实时gi拥有比静态gi更好的光影呈现，相当于静态和动态gi一个是用时间换质量，一个是用质量换时间。不过，随着技术的不断成熟，实时gi会越来越强。同时又引出一个新概念，带物理属性的材质及光照，也就是说光照带有真实的物理属性，并且与材质互动，这个我将会在后面写一篇关于虚幻4的物理材质研究。
笔者是个强迫症患者，同时笔者喜欢实时gi这一个新起渲染方案。请各位在确保开启了lpv后阅读以下内容。
在虚幻4中，为了保证有更好的实时gi效果，会用到后期处理体积中的lpv属性卡，如下图：
其中intensity表示反弹的强度，越大，那么反射强度越高，这个就不多说了，主要说下参数size、light lnjection bias，size控制动态光照的被照射范围大小，说白了，如果数值小了，对于大型模型会产生黑色条纹，因为产生动态gi是以一个范围存在的，如图：
红框内则是超出了需要实时gi计算的范围，此时需要把size值加大。而light lnjection bias则控制实时gi被计算的偏角，简单说size调整范围大小，而light lnjection bias则调整偏移量。此处我mark一下，这里有一个bug，向着阳光，则会不受控的出现色彩失真。在调整合适后，参数和效果如下图：
首先是定向光参数：
其次是后期处理体积参数：
最后效果如图：
各位可以根据自己所需的进行调整，配合环境光遮蔽，以及后期体积里的film进行更为逼真的环境制作，笔者将在后面使用lpv制作一个基于虚拟现实工程的虚幻4室内场景，方便各位研究。备注一下，因为现在lpv还处于开发阶段，所以会出现各种异常的bug，如果做商用项目请慎用。
以下附上在u4的lpv下跑的一段游戏即时演算：
http://v.youku.com/v_show/id_XNzQ0MjA1MzA4.html
虽然虚幻4和cryengine采用都是lpv方案，但是却在实现上有着区别，如果后面有时间，我会把Light_Propagation_Volumes当初的论文翻译一次并且标注。
下文我发一个Cornell box测试图工程各位爱好实时gi的爱好者，在此环境上创造出更好的效果
