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

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

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。

ライティングビルドの場所

押すと
ライティングビルドが走ります

そして失敗したりします。

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。

ソースコードは公開
Program/UnrealLightmass

Lightmassの問題は？
大きく分けて三つ。

Lightmassの問題①
クオリティ

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

Lightmassの問題③
容量
Memory File Size

クオリティビルド時間メモリサイズ

真茅さん

SQEX
斎藤さん

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。

Lightmassが出力するデータ
Lightmass
Input
Output

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。。）

Light
Map
Shadow
Map
Precomputed
Light
Volume
③真茅さん

LightMapとShadowMapは
アクター単位で持たれます。

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。

Light
Map
Shadow
Map
Precomputed
Light
Volume
④ SQEX斎藤さ
ん

ViewのメニューでDebug表示できます。

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

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。

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

Light
Map
Shadow
Map
Precomputed
Light
Volume

Lightmap
をベースに
Lightmassの基本アルゴリズムを学ぶ

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。

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

そのまえに注意点三つ

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。

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。

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。。。

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。

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

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

Direct
Lighting
Indirect Lighting

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。

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。

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。。。。。。

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。

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

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

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

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

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

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

Light のSource Radius でライトの大きさを変えられます。

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

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
Sky Light

Point
Spot
Directional
Light..
Sky Light
Direct
Indirect
Lighting Photon Mappingで
シミュレーション
Direct
Lighting
Indirect Lighting
Photonを出す
Light
Sky Light

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。

ライトからPhotonを放出する

当たらないPhotonは消失

Photon Mapping
壁に衝突したフォトンは。。。

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

バウンスしたら。。。

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

フォトンが蓄積されたので。。。

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。

Photon Mapping
preview (radius = 50cm)

Photon Mapping
production (radius = 50cm)

設定をいじくりProductionよりも
Photonの数を上げていく…

増やしていけばいずれたどりつけそうだけ
ど。。。

いつになったらPhotonがたりるのでしょうか？

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

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

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

Photon Mapping Only
（ＩｎＤｉｒｅｃｔＰｈｏｔｏｎ）
ランダムに反射する。
？
？
？
？

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。

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。。。

（ＩｎＤｉｒｅｃｔＰｈｏｔｏｎ）
ランダムに反射するならば。。
？
？
？

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。
？
？
？

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。

Photon Mapping -> Final Gathering

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。

すごいですね。Final Gathering

かなり見え張りました。

Production: ILQ 10

Production: ILQ 10Preview: ILQ 1

ビルド時間体感でおよそ100倍
Production: ILQ 10Preview: ILQ 1

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。

正しく見積もるには
沢山のレイを出す必要がある。

Photon
mapping
Final
Gathering

の時に、下のように説明しました。

本当は、
自身の近くの
Photonは探索しません

これが正解。。。なぜ？

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。。。

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。

FGだけにすれば、
Direct Photonの影響を省けます。

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。。

君たち、
間接光成分
だいたい一緒でしょ？

どこかFinal Gathering
したら。。。

その情報をキャッシング

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

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？

Irradiance Caching (Production)

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

Photon
mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching

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

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

Photon Mappingを軸にした
様々なアルゴリズムで動いています。

Sky Light編

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

Point
Spot
Directional
Light..
Sky Light
Direct
Final Gathering時に
直接参照
Indirect
Direct
Lighting
Indirect Lighting
Photonを出す
Light
Sky Light

Final Gathering
SkyLight
？
少なくない？？

例) Skylightだけのシーン
にじみだらけ。

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

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

実際にレイを見てみます

Lightmass Portal
なし vs あり

例) Skylight+Portalのシーン
にじみがなくなる。

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

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
Sky Light
の

Lightmap作成のまとめ
Point
Spot
Directional
Light..
Sky Light
Direct
直接参照
Indirect
Direct
Lighting
Indirect Lighting
Photonを出す
Light
Sky Light

Sky LightはPhotonを放出しない
SkyLight

けど間接光は出したい。
SkyLight

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

本来のFinal Gatheringの前に…
SkyLight

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!

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

本来のFinal Gatheringのとき、
SkyLight

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

example
スカイライトのみで照らしたシーン

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。

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？

問題点
SkyLightここのSkylightingの事前キャッシュの値は0

問題点
SkyLightこの周辺の事前キャッシュのライティング値は0

問題点
SkyLight
この時に、こんなオブジェクトがあったとします

問題点
SkyLight
Final Gathering!!!

問題点
SkyLight
Final Gathering!!!
してもサンプリングするのは闇

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
Sky Light の

Lightmap作成アルゴリズムのまとめ
Point
Spot
Directional
Light..
Sky Light
Direct
直接参照
Indirect
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
Sky Light

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。

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。

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。

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。

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。

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

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

World Settings:
Photon
mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Direct Lighting
(Shadowing)
影用レイの数
Photonの放出量

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
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。

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。

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

World Settings:
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

World Settings:
0th Bounce (Direct Photon)

World Settings:
1st Bounce

World Settings:
2nd Bounce

World Settings:
3rd Bounce

World Settings:
4th Bounce

World Settings:
50th Bounce

World Settings:
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

World Settings:
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

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

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

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

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

Build Lighting:
Lighting Quality
Photon
mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Direct Lighting
(Shadowing)
影用レイの数
Photonの放出量

Build Lighting:
Lighting Quality
Photon
mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Direct Lighting
(Shadowing)
影用レイの数
Photonの放出量
最大バウンス回数以外の全てのクオリティを上げる。

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

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

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

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。

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Editor's Notes