[GDC16]Global Illumination in Tom Clancys The Division

Global Illumination in Tom Clancy The Division

GI on/off的對比

曼哈頓場景6平方公里以上，193w物件，2w車輛，3w垃圾堆。大場景外加大量物體沒法很好地使用Lightmapping等GI，比較適合的就是probe based的方法，一般light probe/irradiance probe等，實際產品中美術不用再處理uv、改動一點就會rebake的煩惱。

有晝夜變換，ambient很重要，有些場景始終在shadow中，所以需要prt probe。

晚上使用點光、錐光、面光源。在之前farcry中secondary bounce baked進probe，但是在Division中這些光源全是dynamic/editable，所以需要更進一步。

很多室內環境，大量使用dynamic光源，而且對於有窗戶的室內依然受晝夜影響，這種情況很適合用probe，但是要小心注意probe的位置防止不同房間的bleeding

Dynamic weather，對於procedural snow一般GI會有點問題，但是prt只需要一些修改就可以使用

PRT可以看Sloan的論文，DX sample中也有

Brute force的方法，直接存所有的visible surface element，像GBuffer cubemap per

從probe發射光線，交到的第一個物體保存為surfel信息

對於沒有交到物體的光線，認為是hit到了sky，結果作為spherical shadow term，相當於large scale directional ao

需要把normal方向的radiance積分為半球的irradiance（light probe->cosine），常見的方法轉為頻域，2階SH的缺點會丟失對稱的強光信息，好處GPU-friendly，只需要4float；HalfLife2使用6 basis，缺點是由於basis是固定的，所以fading會有瑕疵

最後選用了HL2的做法，bake6個basis irradiance，realtime blend

2種自動Probe擺放方式：1）每隔4m的grid，從上至下raycast，hit到的地方放置probe；2）沿牆放置，防止整面牆flat-looking

存放的數據：把probe分割到64*64的2D grid中，每個gird最多1000的probe（一般200-300），根據player的位置stream in/out

在同一個sector中的probe共用Surfels數據，這樣GPU的relight計算會少很多。Surfels使用2級的hash來索引

第一級cell平均surfel的position/normal/albedo等信息，使用position和normal作為hash index，cell的大小1*1*1m，如果設置cell太大會有光照的bleeding，太小計算量會增加

第二級average多個cell為一個irradiance brick，為了加速probe計算，所以讓probe直接索引brick而不用索引大量的surfels。4*4*4的brick

具體的data存放

1）probes保存position、sky visibility HL2 irradiance probe、以brick factor的range

2）brick factors保存當前brick給probe貢獻光照的權重、irradiance

3）bricks保存兩個index

4）surfels保存所有relight需要的信息

離線bake過程，對於同一個sector的probes

1） 渲染它的GBuffer cubemaps

2） CPU read back，把所有的surfels放到hash grid，得到average surfel和irradiance brick

3） 在同時，GPU渲染下一個sector

對於Manhattan的數據需要8小時bake，1GB肯定壓縮了吧

Real-time

不是使用不同時間段的probe進行插值，而是更精確的每幀更新

舉個例子，左圖是因為牆面的secondary bounce變紅，這種情況在一天之中就幾分鐘，離線bake很難插值出這種情況，除非densely bake。右圖是在陰影中，主要靠sky light和street bounce

簡單易懂，compute_lighting()跟普通的shading流程一樣

3個小時的差別，只看sun的irradiance差異很明顯

由於shadow的範圍限制，有些surfels在shadowmap的外圍，這樣計算的結果不正確。維護一張大的shadowmap又太費，折中的方案是記錄last shadow sample，因為sun dir的變化頻率不大，所以這樣也看不出太多問題

CPU先計算當前sector surfels AABB所交的所有lights，把他們的attrib放進GPU里計算。（這計算量，嘖嘖）其中優化是可以把靜態光源的結果cache到buffer中

效果真的挺好

Blend snow white albedo

這個想法也是吊，使用上一幀的probe來計算surfel的radiance

這不會越來越亮嗎。。。

根據當前sky的SH係數和預存的visibility SH計算sky irradiance

效果真不錯

做個brick的離散積分，over

這麼快？即使每幀只bake兩個sector也太快了吧，考慮這麼一堆的light computing

Merge irradiance到一張大的camera based volume map上，使用trilinear filter，每個basis自己計算offset uvw。Deferred/Forward管線都能用，所以opaque和translucent的物體都有GI

100*50*100m太大，對於室內使用一定會bleeding，所以室內單獨使用了interior volume，利用stencil做區分，對於每個房間，也會做AABB的volume clamp

對於遠處使用了irradiance的』LOD』，只計算sky的irradiance

差別挺大

AO的3個來源，對於車輛AO的效果不好，所以下面放一個decal

製作簡單

用一個單獨的volume存average irradiance，在裡面ray marching

最初的實現使用實時生成的irradiance volume，因為生成速度太慢所以會產生light poping，day-night切換等問題

PRT一開始使用8 basis，由於缺少+-Y所以顯得太暗，最後使用的HL2 basis

有些地方沒有probe，右圖可以看出建築中沒有擺放probe都是黑的，debug可以顯示沒有probe的區域用紅色標記。最好可以讓美術更自由的控制probe的擺放，另外，可以考慮使用tangent space中的xyz basis來代替6 basis給建築使用

室內外會有sharp transition，通過擺放能解決一部分，另外full shading中也不是太明顯

提升精度，另外對multiple bounces的粗略近似

UI的參數需要儘可能的簡單和易懂

Q&A中提議使用Cascaded grid，不錯的想法。sector的邊緣的lighting不正確，因為sector中surfel數據的不連續性。怎麼對比GroundTruth，作者說美術覺得OK就行。。。

這篇GI的成熟度和產品化做的相當好，也看出Ubi是一代一代積累帶來的效果突破，理論其實不是太難，主要是產品化時碰到的實際項目問題和細節問題，這類的坑是最難踩的。另外，除了lightmap，這個實現感覺和Enlighten比較像？不知道Enlighten具體怎麼做的（逃