Lightmass Deep Dive 2018 Vol.1: Lightmass内部アルゴリズム概要(Lightmap編)

1. Lightmass Deep Dive 2018 Vol.1 Lightmass内部アルゴリズム概要(Lightmap編) Nori Shinoyama Epic Games Japan / Support Manager

2. 目次 1. はじめに 2. Static Lightingを4種類に分類 3. ライトマスで使われるアルゴリズム各種 ※UE4.20での実装について説明しています

3. #1 はじめに

4. 注意点1: このスライドはあくまで概要です。概念の理解を最優先にしており不正確な部分もあります。 Lightmassの実際の実装を追っているエンジニアの方達は回れ右してソースコードに戻ってください。例えば、IrradiancePhoton, CacheOnSurface, IndirectPhotonPathなどについて触れておりません。わかりやすさのため IndirectPhotonのEmitもDirectPhotonのEmitからシーケンシャルに行われるように説明しております。

5. 注意点 2: Debug Info of LIghtmass... これから、このような非常に簡単な図が沢山でてきますが、基本的にはUE3の名残の機能であり、現在正式サポートはしていないので使い方などの説明は省きます。アルゴリズム説明の際のイメージと捉えてください。

6. 注意点 3: とても簡素な絵での説明が続きます非常にシンプルな図で恐縮ですが、右図のような空間をイメージして頂けますと幸いです。

7. #2 Static Lightingを4種類に分類

8. 初めに、Lightingを直接光と間接光に分けます Direct Lighting Indirect Lighting

9. 直接光 (Direct Lighting) ライトからの直接(Direct)のライティング二次反射以降がないので影部分は黒い。

10. 間接光 (Indirect Lighting) 二次反射。照り返し。複数回バウンドしたライティング直接光で届かない場所へも、光が回り込む。

11. Lightingの種類によって分割... Direct Lighting 1 3 Indirect Lighting 2 4

12. 更に、LightがPhotonを出すかによって二種類に分けられます Lights emitting photons Lights NOT emitting photons OR

13. この4種類に対してそれぞれ設定ができるので見ていきます。 Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting 1 3 Indirect Lighting 2 4

14. #3 ライトマスで使われるアルゴリズム各種

15. Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting 1 3 Indirect Lighting 2 4

16. Direct Lighting from Lights emitting photons (Point/Spot/Directional/Rect) Photonを出すライトからの直接光

17. Photonを出すライトからの直接光 Direct Lightingは、ライトの方向へレイを直接飛ばして行います。 ※Photon Mappingは関与しない.

18. ライトの大きさの設定 Light のSource Radius でライトの大きさを変えられます。

19. ライトの大きさの設定 Light のSource Radius でライトの大きさを変えられます。 Source Radius = 100 Source Radius = 400

20. ライトの大きさの設定 Light のSource Radius でライトの大きさを変えられます。ライトの大きさにより、影が変わるのがわかるかと思います Source Radius = 100 Source Radius = 400

21. Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす 3 Indirect Lighting 2 4

22. Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす 3 Indirect Lighting 2 4

23. Indirect Lighting from Lights emitting photons (Point/Spot/Directional/Rect) Photonを出すライトからの間接光

24. Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす 3 Indirect Lighting Photon Mapping でシミュレーション 4

25. Photon Mapping Final Gathering Irradiance Caching 間接光計算のための主なアルゴリズム3つ

26. Photon Mapping Final Gathering Irradiance Caching まずはPhoton Mappingから

27. Photon Mappingとはライトから”Photon”を放出し、光の複数回バウンスをシミュレートする

28. Photon Mapping ライトからPhotonを放出する

29. 当たらないPhotonは消失 Photon Mapping

30. 壁に衝突したPhotonは。。。 Photon Mapping

31. 壁に留まり、反射(バウンス)を表す新たなPhotonを放つ Photon Mapping

32. 新しいPhotonもどこかにぶつかったら。。。 Photon Mapping

33. 新しいPhotonもどこかにぶつかったら。。。 Photon Mapping

34. 更にバウンス。 Photon Mapping

35. 沢山のPhotonを沢山反射させ、光が回り込む間接光をシミュレートする。 Photon Mapping

36. Direct Photons

37. Indirect Photon Paths

38. Photon Mapping シーンがPhotonで満たされたら。。。

39. Photon Mapping 各Lightmapのテクセルは近辺のPhotonから自身のライティングを見積もる。。。試してみると。。。

40. Only Photon Mapping Lighting Quality: Preview

41. Only Photon Mapping Lighting Quality: Production

42. photonが足りない！！

43. Only Photon Mapping 設定をいじくりProductionよりもPhotonの数を上げていく…

44. Only Photon Mapping 設定をいじくりProductionよりもPhotonの数を上げていく…

45. 徐々にクオリティは高くなっていくが。。いつになったらPhotonが足りるのか。。。

46. Only Photon Mapping このテクセルに届くPhotonはどれくらいでしょう？

47. Only Photon Mapping (Direct Photons) Point Lightから放出されたものの一部

48. Only Photon Mapping (Indirect Photons) Photonがどこかにあたって。。。

49. Only Photon Mapping ？？？？ (Indirect Photons) Photonがどこかにあたって。。。テクセルに届くかも。。。

50. Only Photon Mapping PhotonMappingだけの場合、非常に沢山のPhotonを放出し、そのバウンスを計算しなければいけない。それは非常にコストが高い。

51. Photon Mapping Final Gathering Irradiance Caching

53. Final Gathering 近傍のPhotonの探索だけでは不十分。。。

54. Final Gathering 逆に、各テクセルからレイを飛ばし、もしもそのPhotonがこっちに飛んできたならばどれくらいの影響があるかを調べる。？？？

55. Final Gathering みずからレイを飛ばして、遠くのフォトンからの影響を調べにいく。見るフォトンの数が増える。

56. Final Gathering あるテクセルから発せられた Final GatherのRayの視覚化黄色はどこかにヒットした Ray。青は無限遠に消失(もしくはSkylightにヒット)したもの

57. Final Gathering Photon Mapping -> Final Gathering 見違えるような結果のFinal Gathering….ですが...

58. Final Gathering レイの数が少ないと大量のノイズを生みます。解決するためにレイの数を増やすとビルド時間が非常に長くなる危険性があります。 Production: ILQ 10Preview: ILQ 1

59. Final Gathering 各テクセルが独立してレイを飛ばすので、近隣のテクセルの相関がありません。なのでレイの数が少ないと沢山のノイズが発生してしまいます。

62. Irradiance Caching ファイナルギャザリングをすべてのテクセルでやるのか。。。。時間もかかるし。。。ノイズが。。。

63. 君たち、間接光成分だいたい一緒でしょ？ Irradiance Caching

64. どこかFinal Gathering したら。。。 Irradiance Caching

65. その情報をキャッシング Irradiance Caching

66. どこかFinal Gathering したら。。。 Irradiance Caching

67. その情報もキャッシング Irradiance Caching

68. Irradiance Caching テクセルがもしもキャッシュに十分に入っていたら近くのキャッシュから見積もる。そのテクセルはFinal Gatherしないので高速

69. Irradiance Caching Only Final Gather With Irradiance Caching Irradiance CacheによってFinal Gatherのノイズが軽減

70. Irradiance Caching Preview 設定によって、各キャッシュの数と大きさ、補間の度合いなどを調整可能 Production

71. Irradiance Caching Preview ノイズを除去しかつ高速化されるが、あまりに大きな補間を行うとディティールがなくなるので注意が必要 Production

72. Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching

73. Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching

74. Lightmass内部の間接光計算のアルゴリズム概要 Final Gathering Irradiance Caching (IRC) Each texel... NO!! YES!! 値を補間してテクセルに格納し、次のテクセル計算へ Photon Mapping Scene Setup 近くのIRCから補間可能？

77. Direct Lighting from Lights NOT emitting photons (Sky Light) Photonを出さないライトからの直接光

78. Skylightからの直接光 SkyLight Skylightは360度無限遠からのライティングです

79. SkyLight Skylightからの直接光 Skylightからの直接光はFinal Gatheringの時に計算されます。

80. Skylightからの直接光この青いレイ達がSkyLightにヒットしたレイです (Skylightがなければ無限遠に消失したという意味になります)

81. SkyLight Skylightからの直接光？これだけのレイで十分？？

82. Skylightからの直接光悪い例) Skylightからのみのライティング。にじみだらけ。

83. SkyLight Skylightからの直接光？ SkyLightに向けてもっとレイが欲しい！

84. Lightmass Portal

85. Lightmass Portal SkyLight Portal Final Gatheringの再分割を強制させる

86. Lightmass Portal SkyLight Portal Final Gatheringの再分割を強制させる

87. Lightmass Portal 例として実際に各テクセルのFinal Gatheringのレイの数を見てみる

88. Lightmass Portal No Lightmass Portal With a Lightmass Portal

89. Lightmass Portal No Lightmass Portal With a Lightmass Portal

90. Lightmass Portal Please ignore the lightmap padding error... No Lightmass Portal With a Lightmass Portal

91. Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす Final Gathering時に直接参照 Indirect Lighting Photon Mapping でシミュレーション 4

92. Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす Final Gathering時に直接参照 Indirect Lighting Photon Mapping でシミュレーション 4

93. Indirect Lighting from Lights NOT emitting photons (Sky Light) Photonを出さないライトからの間接光

94. Skylightの間接光 SkyLight SkylightはPhotonを出さない。。。

95. Skylightの間接光 SkyLight しかし、Skylightからも間接光は出したい

96. Lightmass内部の間接光計算のアルゴリズム概要 Final Gathering Irradiance Caching (IRC) Each texel... NO!! YES!! 値を補間してテクセルに格納し、次のテクセル計算へ Photon Mapping Scene Setup 近くのIRCから補間可能？ Mini Iterative Final Gather & Irradiance Caching For Skylights New!!!

97. Skylightの間接光 SkyLight Cache! Photon Mappingなどの前に、Final GatherをしてSkylightからのライティングをキャッシュしておく

98. Skylightの間接光 SkyLight Photon Mappingなどの前に、Final GatherをしてSkylightからのライティングをキャッシュしておく

99. SkyLight Skylightの間接光複数回のバウンスを表現するために、FG&IRCを指定したバウンス回数まで繰り返す。

100. SkyLight Skylightの間接光複数回のバウンスを表現するために、FG&IRCを指定したバウンス回数まで繰り返す。

101. Skylightの間接光 “Num Sky Lighting Bounces”で反復回数を指定

102. Skylightの間接光 0 (Direct Lihgting Only)　 1 2 “Num Sky Lighting Bounces”で反復回数を指定

103. Advanced: Emissive Light Emissiveにより自己発光しているStatic Objectは、 Lightmass内部で光源として扱うことができます。

104. Advanced: Emissive Light しかし、Skylightと同様にEmissive LightもPhotonを出せません。

105. Advanced: Emissive Light Emissive Lightのライティングは、 Skylightと同様にFinal Gatheringを基準に行われます。

106. Advanced: Emissive Light なので”Num Sky Lighting Bounces”はEmissive Lightにも効きます

107. Advanced: Emissive Light Num Sky Lighting Bounces = 0 Num Sky Lighting Bounces = 3

108. Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal 小さな Emissive LightはFInal Gather時にヒットせず、参照されないこともあります。。

109. Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal 結果、非常にノイズが多いLightmapを生成する可能性があります

110. Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal Lightmass Portal ノイズを軽減する方法として、そのEmissive Lightよりも大きなLightmass Portal で囲ってあげる方法があります

111. Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal Lightmass Portal Lightmass Portalにさえ当たれば、Final Gatheringのレイの分割が行われ、結果Emissive Lightにレイがヒットしやすくなります

112. Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal No Lightmass Portal With Lightmass Portal

113. Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす Final Gathering時に直接参照 Indirect Lighting Photon Mapping でシミュレーション Skylight専用の FG&IRC を複数回繰り返す

114. Summary

115. Lightingの種類とLightの種類で4項目に分類 Lights emitting photons Lights NOT emitting photons Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす Final Gathering時に直接参照 Indirect Lighting Photon Mapping でシミュレーション Skylight専用の FG&IRC を複数回繰り返す

116. Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Photon Mappingを軸にした間接光表現のためのアルゴリズム

117. Lightmass内部の間接光計算のアルゴリズム概要 Final Gathering Irradiance Caching (IRC) Each texel... NO!! YES!! 値を補間してテクセルに格納し、次のテクセル計算へ Photon Mapping Scene Setup 近くのIRCから補間可能？ Mini Iterative Final Gather & Irradiance Caching For Skylights New!!!

118. Thank you for your time!

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