00 前言

关键词

  • Static Lights 静态光照
  • Dynamic lights 动态光照

看完本篇内容你将对以下概念心中有数：

  1. 什么是静态光照，什么是动态光照
  2. 光源的移动性是什么意思，为什么区分出 Static（静态）、Stationary（固定）、Movable（可移动）
  3. 光照系统下的性能优化



01 静态光照

首先说明的是，光照在渲染中和反射一样是很昂贵的，光照不是只是指把对象照亮，而是呈现出物体间的错综复杂的阴影关系，对于所有渲染引擎来说，都是能先预计算就预计算，尽可能减少真正在实时部分的计算。


静态光照是指需要在程序运行前进行构建，且在运行时不会发生任何位置、强度、色彩等改变的光照。直观来说，它就是在运行时静态的光源，比如稳定输出光的白炽灯，而不是忽明忽暗的火苗。

在静态光照的实现中，会进行预计算把光照结果存储在光照贴图中，最终被烘焙进纹理里。从这个意义上来说，我们看到的一切都不是真正的光照，而是把光照结果贴进一个个对象切面的障眼法。


我们参考下图的过程，

一个立方体受到两束光（图一），预计算会生成光照贴图（图二），在后续过程中将光照贴图和纹理（图三）混合，最后得到带有光照效果的画面。


UE 实现了一套独立的 LightMass 系统用来处理整个光照贴图的生成过程，其中涉及到漫反射、高光反射、遮挡等复杂的问题。LightMass 中会缓存整个体积空间的间接光信息，通过在体积内建立一个个密集的小点，缓存下在每个点上的间接光信息，最终的光照贴图计算出来可以有丰富的层次。

ILC 缓存采集密度在 World Settings 下的 Volume Light Sample Placement 可以设置。


静态光照的优势是性能快，因为复杂的光照计算都在开发环境构建好了；同时它带来的问题是很占内存，本质上它就是一张纹理，这也意味着它的分辨率是有上限的，如果是巨型模型很容易缺乏足够的光照贴图UV空间，最终该模型的光照效果很粗糙。

如果对默认的呈现想要调节参数，可以在后期体积/PostProcessVolume中找到 Light Propagation Volume这块，还有每个 actor 下找到 LightMass 也有更针对配置 。


我们可以在 World Settings 中查看生成了多少光照贴图，不过我们不能改动。


02 动态光照

了解了静态光照我们就可以想到，动态光照有如它的名字一样，光源会被改变、被移动、被显示和隐藏，所以这类光源没有办法像静态光照一样预先计算好，而是要采用 GBuffer 图像来实时计算光照混合。


以一个单一光源的简化案例来窥探动态光照的计算过程，

首先需要深度通道，即摄像机到每个几何体的距离，混合上光照的色彩和强度；

然后混合法向量图像；

最后混合上阴影图像。


对于动态光照来说，侠义上的光照本身的性能损耗还挺低的，上图的最后一步的阴影计算才是性能损耗的大头，阴影的计算在像素着色器上要复杂的多，这也意味着，屏幕中占比越大的动态光照阴影，性能损耗就越大。


由于动态光照的复杂性，针对不同的场景 UE 提供了不同的工具来实现动态光照的阴影，包括

  1. Regular Dynamic Shadow 常规动态阴影
  2. Per Object Shadows 逐对象阴影/固定光源阴影
  3. Cascaded Shadow Maps（CSM） 级联阴影地图
  4. Distance Field Shadows 距离场阴影
  5. Inset Shadows 插图阴影
  6. Contact Shadows 接触阴影
  7. Cupsule Shadows 胶囊体阴影

Regular Dynamic Shadow 常规动态阴影

光源移动性设为 Movable 时默认采用，它的特点是阴影非常清晰锐利、没有反射光照、没有辐射/全局光照等效果，显得很“硬”。当然通常在最终呈现里，由于其他静态光源的存在，会和光照贴图混合最终成像稍软化一些。


Per Object Shadows 逐对象阴影/固定光源阴影

光源移动性设为 Stationary 时默认采用，它的特点时阴影丰富柔和、有反射光照、有辐射/全局光照等效果，技术上混合使用了光照贴图的静态光照和动态光照。可以说在三种光源移动性中，固定光源拥有最高品质、中等可变性和中等性能成本。


Cascaded Shadow Maps（CSM） 级联阴影地图

实现将视锥划分成一系列基于距离的阴影级联，当离摄像机越远，每个级联的分辨率就越低。 这意味着，距离玩家视野最近的阴影分辨率最高，而距离最远的阴影分辨率最低。 超出 动态阴影距离（Dynamic Shadow Distance） 后，系统将重新采用静态烘焙阴影，通过这种方式，呈现出阴影淡入淡出平滑过度的效果。

仅适用于 定向光源/DirectionalLight 且设为 固定光源 的情况 ，但注意不适合用在特别开阔的大场景下。

设置和调节操作见 使用级联阴影


观察下图1为静态光照，图2为配置 CSM


Distance Field Shadows 距离场阴影

特别适合不需要太精准的长距离阴影，高性能、低效果。适用于远处的阴影，比如一条很开阔很长的马路上的远方阴影。

默认是关闭的，在 Project Settings > Generate Mesh Distance Field勾选开启。再在需要设置该效果的光源 Details 面板下配置Distance Field Shadows相关参数。


Inset Shadows 插图阴影

和 Per Object Shadows 逐对象阴影/固定光源阴影 是一回事


Contact Shadows 接触阴影

适合细微细节的阴影，用来精细化特定模型的阴影。

同样的石面，左侧未开启接触阴影，右侧开启接触阴影


Cupsule Shadows 胶囊体阴影

简单粗粒度、损耗很低的阴影体效果，用对象的胶囊体计算阴影而不是对象自身的面。



03 光源移动性

基于上面关于静态光照和动态光照的内容，我们再来理解 UE 提供的移动性就清楚多了。

静止的光源表示完全采用静态光照，要求是光源不能在运行时发生任何变化，性能最佳，效果中等；

固定的光源表示采用静态光照和动态光照的混合，要求是光源在运行时位置不能发生变化，性能中等，效果最佳；

移动的光源表示主要采用动态光照，光源可以任意移动和改变，性能最低，效果最低。


在以上的原则下，UE 提供了 级联阴影地图、距离场阴影、接触阴影、胶囊体阴影的手段给开发者去针对性提升效果和降低损耗。



04 优化指南

  1. 为关卡添加 LightmassImportanceVolume ，告知必要的光照计算范围，减少全场景 LightMass 计算的浪费。
  1. 检查静态光照贴图的分辨率，不重要的地方应该减少分辨率，重要的地方适度提高。
    1. 位于 视图模式（View Modes）> 优化视图模式（Optimization Viewmodes） > 光照贴图强度（Lightmap Density）
    2. 格子越大分辨率越低，避免非必要对象出现红色，比如很远的地方却用很高的分辨率的光照贴图，以绿色及以下性能为佳
  1. 合理优化缩小光源的影响范围
    1. 下面这个例子 左边 和 右边 呈现的效果是一样的，但它们实际的影响范围和衰减半径不同。在这个例子中，左边 的光源要消耗性能更多，最佳实践是永远不要为看不见的效果付出代价。
  1. 结合不同的手段开启或关闭、参数的配置达成性价比更高的光照阴影，包括但不限于 级联阴影地图、距离场阴影、插图阴影、接触阴影、胶囊体阴影
    1. 多尝试多测试，抓大放小，不需要的内容关闭阴影
    2. 这几项手段的细节见前文 静态光照 和 动态光照
  2. 关注大型对象的面数和光照贴图分辨率，防止光照贴图空间不足，有需要适当拆解大对象或采用胶囊体阴影

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