Lightmassの仕組み ~Lightmap編~ (Epic Games Japan: 篠山範明)

1. Lightmass Deep Dive vol.1 Lightmap編篠山範明 Epic Games Japan Senior Support Engineer

2. Lightmap編

3. Lightmap編の前に

4. Lightmassってなに？

5. Lightmassって何？ Unreal Engine4が用いる事前計算ライティングのアプリケーションです。

6. ライティングビルドの場所

7. 押すとライティングビルドが走ります

8. そして失敗したりします。

9. このときにUE4 Editorの裏でライティング計算しているのが lightmassです。

10. ソースコードは公開 Program/UnrealLightmass

11. Lightmassの問題は？大きく分けて三つ。

12. Lightmassの問題① クオリティ

13. Lightmassの問題② ビルド時間平気で数時間単位にスケールするライトビルド

14. Lightmassの問題③ 容量 Memory File Size

15. Lightmassの問題は？クオリティビルド時間メモリサイズ

16. Lightmassの問題は？真茅さんクオリティビルド時間メモリサイズ

17. Lightmassの問題は？ SQEX 斎藤さんクオリティビルド時間メモリサイズ

18. Lightmassの問題は？これらを調整するためには、ライトマスの動作の仕組みや設定方法を最初に篠山が説明します。クオリティビルド時間メモリサイズ

19. Lightmassが出力するデータ Lightmass Input Output

20. Lightmassが出力するデータ Light Map Shadow Map Precomputed Light Volume （半透明用のシャドウマップもありますが、そちらは今回は触れません。。）

21. Light Map Shadow Map Precomputed Light Volume ③真茅さん

22. LightMapとShadowMapはアクター単位で持たれます。

23. Lightmapの実際に作られたテクスチャは、 World Settingsで見ることができます。

24. Light Map Shadow Map Precomputed Light Volume ④ SQEX斎藤さん

25. ViewのメニューでDebug表示できます。

26. Light Map Shadow Map Precomputed Light Volume すみません。今回の講演では省きます。

27. Light Map Shadow Map Precomputed Light Volume すみません。今回の講演では省きます。 Shadow Mapを理解するためには、その前に、Stationary Lightの挙動を理解する必要があります。

28. Stationary Lightの影については、上記ブログが参考になります http://darakemonodarake.hatenablog.jp/entry/2015/12/16/UE4/Stationary

29. Light Map Shadow Map Precomputed Light Volume

30. Lightmap をベースに Lightmassの基本アルゴリズムを学ぶ

31. Lightmass -> Lightmap の流れを理解すれば、他の二つは、部分的な拡張として理解できます。

32. おしながき 1. Lightmassによる、Lightmap 作成アルゴリズム 2. Lightmap作成のためのLightmass設定方法

34. そのまえに注意点三つ

35. 1. 説明するアルゴリズムは概要です。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。

36. 2. Lightmass debugging… これから、こういう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。

37. 3. Base Scene これから、こういう非常に簡単な図が沢山でてきますが。。。

38. 3. Base Scene このような、一面が開いたボックスの中に、球体があるシーンをイメージしてください。

39. Lightmap作成の目標ライトマップの各テクセルに自身のライティング情報を格納する

40. 具体的な挙動になる前に。。ライティングを二つに分けます。 Direct Lighting Indirect Lighting

41. Direct Lighting Indirect Lighting

43. 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。

45. Indirect Lighting 二次反射。照り返し。レフ版。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、光が回り込む。

48. Direct Lighting Indirect Lighting では、ライトマスがこの二つをどのように計算するかを見ていこうと思いま。。。。。。

49. Direct Lighting Indirect Lighting しかし、ライトによって計算の方法が変わります。

50. 説明を更に二分します。 Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light OR

51. これでこのようなマトリックスが出来ます。 Point Spot Directional Light.. Sky Light Direct Lighting Indirect Lighting Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

52. まずはこちらから。 Point Spot Directional Light.. Sky Light Direct Lighting Indirect Lighting Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Light

53. Lightmap作成アルゴリズム Point / Spot / Directional Light 編

54. Point Spot Directional Light.. Sky Light Direct Lighting Indirect Lighting Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

55. Direct Lightingはライトへ、レイを飛ばして行います。 ※Photon Mappingは関与しない Direct LightingPhotonを出す Light の

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

57. ライトにレイを直接飛ばします。影のボケなどはここで調整します。 Direct LightingPhotonを出す Light の

58. Point Spot Directional Light.. Sky Light Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす Indirect Lighting Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

59. Point Spot Directional Light.. Sky Light Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす Indirect Lighting Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

60. Point Spot Directional Light.. Sky Light Direct Lighting ライトに直接レイを飛ばす Indirect Lighting Photon Mappingでシミュレーション Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

61. Photon Mapping

62. Photon Mapping 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ションする。

63. ライトからPhotonを放出する

64. 当たらないPhotonは消失

65. Photon Mapping 壁に衝突したフォトンは。。。

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

67. バウンスしたら。。。

68. バウンスしたら。。。

69. 更にバウンス

70. 沢山のフォトンを沢山反射させ、 Indirect Lightingを実現する

71. Direct Photons

72. Indirect Photon Path

73. フォトンが蓄積されたので。。。

74. Lightmapのテクセルのライティングを周りのPhotonから見積もってみる。

75. Lightmapのテクセルのライティングを周りのPhotonから見積もってみる。

76. Photon Mapping preview (radius = 50cm)

77. Photon Mapping production (radius = 50cm)

78. Photonが足りない！！

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

80. 増やしていけばいずれたどりつけそうだけど。。。

81. いつになったらPhotonがたりるのでしょうか？

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

83. Photon Mapping Only (Direct Photon) ポイントライトから全方向にランダム

84. Photon Mapping Only (InDirect Photon) あたった面から。。。

85. Photon Mapping Only （ＩｎＤｉｒｅｃｔＰｈｏｔｏｎ）あたった面から。。。ランダムに反射する。？？？？

86. Photon Mapping Only 各テクセルを見積もるには不十分 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。

87. Photon mapping

88. Final Gathering

89. Final Gathering Concept Photon Mappingだけならば近傍のフォトンだけ。これでは不十分なら。。。

90. Final Gathering Concept （ＩｎＤｉｒｅｃｔＰｈｏｔｏｎ）あたった面から。。。ランダムに反射するならば。。？？？

91. Final Gathering Concept 逆に、各テクセルからレイを飛ばし、もしもそのフォトンがこっちに飛んできたなら、どれぐらいの影響があるかを調べる。？？？

92. Final Gathering Concept 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。

93. Photon Mapping -> Final Gathering

94. Final Gathering テクセルからレイを飛ばし、フォトンを自分から取りに行く。

95. Final Gathering

96. Photon Mapping -> Final Gathering すごいですね。Final Gathering

97. Photon Mapping -> Final Gathering かなり見え張りました。

98. Photon Mapping -> Final Gathering かなり見え張りました。 Production: ILQ 10

99. Photon Mapping -> Final Gathering かなり見え張りました。 Production: ILQ 10Preview: ILQ 1

100. Photon Mapping -> Final Gathering ビルド時間体感でおよそ100倍 Production: ILQ 10Preview: ILQ 1

101. Final Gathering… 隣のテクセルとの整合性がないので、サンプリングノイズが多発する。

102. 正しく見積もるには沢山のレイを出す必要がある。

103. Photon mapping Final Gathering

104. ちょっとAdvance…

105. Final Gathering Concept の時に、下のように説明しました。

106. 本当は、自身の近くの Photonは探索しません

107. これが正解。。。なぜ？

108. Direct Lightingは、直接ライトへレイを飛ばして計算するからです。それと別に近傍のPhotonをとると。。。

109. 実際は、Final Gatheringだけをし、自身の Photonの近傍を探索しません。直接光成分を二回計算してしまいます。

110. FGだけにすれば、 Direct Photonの影響を省けます。

111. Final Gathering

112. Photon mapping Final Gathering

113. Irradiance Caching

114. Irradiance Cachingコンセプト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。。

115. Irradiance Cachingコンセプト君たち、間接光成分だいたい一緒でしょ？

116. Irradiance CachingコンセプトどこかFinal Gathering したら。。。

117. Irradiance Cachingコンセプトその情報をキャッシング

118. Irradiance CachingコンセプトどこかFinal Gathering したら。。。

119. Irradiance Cachingコンセプトその情報をキャッシング

120. Irradiance Cachingコンセプトテクセルがもしもキャッシュに十分に入っていたら。。。

121. Irradiance Cachingコンセプト近くのキャッシュから見積もる

122. Only FG With IRC

123. 近くのキャッシュから見積もる • キャッシュの半径は？ • どのような補完が適切？

124. Irradiance Caching (Production)

125. Irradiance Caching (Preview)

126. Final Gathtering -> Irradiance Caching Previewだと探索半径が大きくなり、ノイズが減るがディティールも消失 FG + IRC: PreviewFG: Preview

127. Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching

128. アルゴリズムまとめ Indirect LightingPhotonを出す Light の

129. Final Gathering Irradiance Caching 各テクセルに対して。。。近くに十分な IRCある？ NO!! YES!! なら補完して値を格納Photon Mapping Scene Setup Indirect LightingPhotonを出す Light の

130. Photon Mappingを軸にした様々なアルゴリズムで動いています。 Indirect LightingPhotonを出す Light の

132. Photonを出さない Sky Light編

134. SkyLight は360度無限遠方からのライティングです。 SkyLight

135. Point Spot Directional Light.. Sky Light 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 Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

136. Final Gathering SkyLight

137. この青いレイ達。

138. Final Gathering SkyLight ？少なくない？？

139. 例) Skylightだけのシーンにじみだらけ。

140. Final Gathering SkyLight ？こっちにレイを飛ばしたい。

141. Lightmass Portal

142. Lightmass Portal Final Gatheringの再分割を強制させる。 SkyLight P o r t a l

145. 実際にレイを見てみます

146. Lightmass Portal なし vs あり

147. Lightmass Portal なし vs あり

148. 例) Skylight+Portalのシーンにじみがなくなる。

149. Lightmass Portal なし vs あり LightmapのPaddingの問題が。。。

150. Skylightで屋内を照らす際、 Final GatherでSkylightを重点的にサンプリングできるように、 Lightmass Portalを窓などに配置しましょう。 Direct Lighting Photonを出さない Sky Light の

151. Lightmap作成のまとめ Point Spot Directional Light.. Sky Light 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 Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

152. Lightmap作成のまとめ Point Spot Directional Light.. Sky Light 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 Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

153. Sky LightはPhotonを放出しない SkyLight

154. けど間接光は出したい。 SkyLight

155. Final Gathering Irradiance Caching 各テクセルに対して。。。近くに十分な IRCある？ NO!! YES!! なら補完して値を格納Photon Mapping Scene Setup Mini Final Gather For Sky Lights

156. 本来のFinal Gatheringの前に… SkyLight

157. 本来のFinal Gatheringの前に、 SkyLight用の非常に小さなFinal Gatheringをシーンで行い、キャッングしておく。 SkyLight Cache!

158. 本来のFinal Gatheringの前に、 SkyLight用の非常に小さなFinal Gatheringをシーンで行い、キャッングしておく。 SkyLight

159. 本来のFinal Gatheringの前に、 SkyLight用の非常に小さなFinal Gatheringをシーンで行い、キャッングしておく。 SkyLight

160. 本来のFinal Gatheringのとき、 SkyLight

161. 本来のFinal Gatheringのとき、前もってキャッシュしておいたSkyLightの情報を取得してそこからの照り返しを計算する。 SkyLight

162. example スカイライトのみで照らしたシーン

163. example 天井に、地面の照り返しが来てるのがわかるかと思います。

164. 問題点 Skylightの二次以上の反射を取れない SkyLightここのSkylightingの事前キャッシュの値は？

165. 問題点 Skylightの二次以上の反射を取れない SkyLightここのSkylightingの事前キャッシュの値は0

166. 問題点 Skylightの二次以上の反射を取れない SkyLightこの周辺の事前キャッシュのライティング値は0

167. 問題点 Skylightの二次以上の反射を取れない SkyLight この時に、こんなオブジェクトがあったとします

168. 問題点 Skylightの二次以上の反射を取れない SkyLight Final Gathering!!!

169. 問題点 Skylightの二次以上の反射を取れない SkyLight Final Gathering!!! してもサンプリングするのは闇

170. example

171. example

172. example まっくろ。

173. どんなに設定を上げても、二次以降のバウンスは存在しない Indirect Lighting Photonを出さない Sky Light の

174. Lightmap作成アルゴリズムのまとめ Point Spot Directional Light.. Sky Light 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 Final Gathering前に事前キャッシュ (二次以降バウンスなし) Direct Lighting Indirect Lighting Photonを出す Light Photonを出さない Sky Light

175. Final Gathering Irradiance Caching 各テクセルに対して。。。近くに十分な IRCある？ NO!! YES!! なら補完して値を格納Photon Mapping Scene Setup Mini Final Gather For Sky Lights

178. Lightmass.ini Lightmassの設定パラメータファイル • Engine/Config/BaseLightmass.iniにLightmassの設定があります。 • Game/Config/DefaultLightmass.ini などを記載することでゲームで上書きできます。 • Lightbuild時に毎回参照されるので、パラメータを変えても、再起動する必要はありません。

179. Lightmass.ini Lightmassの設定パラメータファイル • 問題は、そのパラメータが150個以上あること。 • Photon Mappingのパラメータだけでもこれぐらいあります。

180. いやですよね。

181. パラメータを一括で調整する機能がエディタにあります。 • World Settingsの “Lightmass”タブ特に、一番重要かつよく触るであろう上記4パラメータを本日は説明します。

182. ここでは、それらがアルゴリズムにどのように影響していくかを説明します。

183. 真茅さんが次の講演でこれらがどのように絵作りに影響をあたえるのかを、実際のシーンで説明してくれます。

184. 大前提: Lightmass Importance Volume Photonの放出範囲などを決める大事なもの。ないと、UE4が大きさを自動で判断するが、基本的には使い物にならないと思ってよい

185. Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径必要な設定項目を振り返る

186. World Settings: Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径

187. World Settings: Static Lighting Level Scale Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径 Lightmass内部のWorld Grid. どれぐらいスケールするかを設定する。小さくすればするほどビルド時間が激増します。

188. World Settings: Static Lighting Level Scale SLLS = 1.5 SLLS = 0.5 SLLSを小さくすると、Irradiance Cacheの半径も小さくなり FGすべきサンプルが増えます。ディティールが向上しますが、それだけビルド時間が増えます。

189. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) Photonが何回反射するか？その最大数を設定できる。 Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径

190. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) このサンプルシーンで確認してみる。マーキングされているテクセルが参照するフォトンのバウンスを確認

191. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) 0th Bounce (Direct Photon)

192. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) 1st Bounce

193. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) 2nd Bounce

194. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) 3rd Bounce

195. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) 4th Bounce

196. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) 50th Bounce

197. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) Direct Photon 1st Bounce 1回目のバウンスでフォトンが激減するので、ビルド時間への影響が少ない

198. World Settings: Num Indirect Lighting Bounces (NILB) Photonが何回反射するか？その最大数を設定できる。こちらは数を上げてもビルド時間にさほど影響しない。基本は固定値で5とかにしておけば問題ないかと。 Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径

199. World Settings: Indirect Lighting Quality (ILQ) Final Gather 時のサンプリングのレイの総数を決める際、この値が掛け算される。ビルド時間は増大するが、にじみやノイズの除去につながる Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径

200. World Settings: Indirect Lighting Quality (ILQ) ILQ=1 ILQ=3

201. World Settings: Indirect Lighting Quality (ILQ) ILQ=1 ILQ=3

202. World Settings: Indirect Lighting Smoothness (ILS) Irradiance Cachingのキャッシュ半径を制御する値を大きくすることで、ビルド時間は減り、にじみが解消されるが、逆に、ディティールが減る可能性がある。 Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径

203. World Settings: Indirect Lighting Smoothness (ILS) ILS=2.5 ILS=0.25

204. World Settings: Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径

205. Build Lighting: Lighting Quality Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径

206. Build Lighting: Lighting Quality Photon mapping Final Gathering Irradiance Caching Direct Lighting (Shadowing) 影用レイの数 Photonの放出量最大バウンス回数レイの数キャッシングの半径最大バウンス回数以外の全てのクオリティを上げる。

207. Build Lighting: Lighting Quality Preview Production Final Gatherのレイが増大

208. Build Lighting: Lighting Quality Preview Production 放出Photonもしてるのがわかります

209. Build Lighting: Lighting Quality Preview Production Irradiance Cacheの半径も縮小

211. まとめ

212. LightmassのLightmap作成まとめ間接光を出すために、 Lightmassは Photon Mappingを軸としたアルゴリズムを使用している。 SkylightはPhotonを発しないため、作法や効果が異なる World SettingsやBuild Qualityで内部パラメータの調整が可能。

213. 真茅さんへGo!!

Lightmassの仕組み ~Lightmap編~ (Epic Games Japan: 篠山範明)

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