【GDC2016】Lighting The City of Glass - Rendering 「Mirror『s Edge Catalyst」

GDC2016的重度分享，講述MIRRORS EDGE（鏡之邊緣）的渲染。演講者是來自EA DICE的燈光師（lighting artist）

整個遊戲的場景有兩個大特點：

1. 場景設定為現代化辦公樓群
2. Lighting是渲染中最重要的部分

早期（2008年）版本的Mirrors Edge使用的Lighting Tech

遊戲中的lighting是static的，使用了UE3的Beast作為烘焙器，烘焙的特性：

1. 烘焙直接光
2. 烘焙間接光
3. 高精度：1pixel / 1cm
4. 烘焙方向信息（可以更好的顯示normal map的信息）
5. 每個level需要50台機器烘焙25個小時

Game design

作為一個沙盒設計、自由探索的世界，遊戲設計的目標是讓玩家可以感受到日夜變化、生動、巨大的世界：

融入世界觀、故事性：

Challenges

比較挑戰的事情包括：

1. 24小時系統
2. 動態光源的使用
3. 電影級角色
4. 使用pbr渲染風格化的畫面

Physically Based Rendering

EA的寒霜引擎2014年開始使用PBR，主要使用的技術點：

1. specular使用基於Microfacet model的GGX
2. diffuse使用修正過能量守恆的Disney Diffuse

這些都已經是工業界的標準做法，貼圖比較方便使用第三方軟體（比如使用substance）進行製作。

這裡主要是製作四種貼圖：

• base color 一般在40-230之間
• smoothness 美術來自由調整
• reflectance 用來控制fresnel
• metal mask 區分金屬和非金屬

使用pbr也有助於實現時間變化。因為遵守物理，所以在不同的光照條件下，都能表現出比較自然的光照結果。

Camera也要考慮基於物理的屬性，比如相機中常見的屬性：

1. Shutter Speed
2. Aperture
3. ISO
4. DOF

東京採風

建築結構：

各種廣告牌、以及一些建築外立面上的物件：

各種屋頂：

各類白色（用於建立顏色參照表）：

各種光源環境：

定時拍攝時間變化（現場展示的是一個時間變化的視頻）：

採集HDR Probe：

在製作物件時，使用這些不同環境的Probe預覽物件在不同的環境下的表現：

在遊戲中使用上述採集的靜態的HDR sky是比較難的：

1. 24小時變化需要大量的skies
2. 需要大量的內存、streaming
3. HDR skies之間做過渡時太明顯
4. 雲需要高精度
5. 雲需要打光

這裡sky的渲染方案是基於物理進行動態的計算。

Physically Based Sky

通過Precomputed atmospheric scattering，然後加上一些調節係數模擬天空的渲染：

1. Rayleigh scattering的強度、高度
2. Mie scattering的強度、高度
3. Ozone Percentage
4. 光源設置
5. 多光源

霧的調節（霧也是一種大氣現象）：

基於高度、濃度、濃度上限、顏色疊加或乘積等係數來實現霧效：

雲層的光照，定義了雲的Alpha、Absorbtion、Thickness值來做光照的計算：

整個天空和雲的計算在console大概用了0.75ms（比靜態天空高了0.35ms）。

美術有時候想要非常藍的天空：

通過調整散射係數來做：

Rayleigh scattering/2：

直接使用天空的散射公式計算Mie散射，沒辦法滿足建築遮擋的情況：

最後，Mie散射使用Light Shaft計算來模擬。

Creating a Day Cycle

要做的事情包括：

1. 太陽、月亮、星星的升降
2. 24小時（實際時間為48min）時間變化、非線性調節（比如日出的時間被放大）
3. 不同時間段不同的Bloom、Sun size、Camera exposure調節
4. 可以在某些任務時限定時間點
5. 站立不動時，sun shadow是停止變化的（防止陰影抖）

Global Illumination

怎麼根據24小時變化的天空實現GI，從：

渲染出：

使用了Geomerics的Enlighten作為烘焙器，整個城市大概需要7個小時做precompute。經過precompute之後可以做很快速的relighting。

為了Streaming，將整個城市的烘焙區域劃分為3個層級的結構：

1. 17 Ground level zones
2. 83 Buildings zones
3. 391 Props zones

每個streaming zone的數據包括：

1. 1套lightmap，最高2048；給較大的靜態物體使用
2. lightprobe；給動態物體和小物體使用
3. GI Data；給relighting使用

一個streaming zone的數據大概5~15MB。在內存中，大概同時有30套數據。

在時間變化過程中，需要在CPU中基於precompute的數據持續計算後續將要用到的GI信息（relighting），預算是3ms每幀。內存中大概會有三種狀態的GI信息：

1. 當前的
2. blend to的
3. 計算中的

美術控制（Artistic Control）

Enlighten默認會生成32*32的cubemap：

美術可以基於cubemap增加強度、顏色係數控制。對於夜晚場景：

可以增加cubemap中月光區域的亮度：

太陽光的彈射率被設置為75%（比實際中高）：

光照信息圖：

相對於2008年的1pixel/1cm，目前GI使用的精度幾乎是1pixel/1m（一個格子是一個pixel）：

這個GI烘焙方案有很多限制：

1. 只烘焙間接光部分，不適用於直接光
2. 過低的精度，無法存儲AO信息
3. lightprobe只能達到per-object級別

我們必須通過其他方式來彌補GI精度的不足，這裡的解決方案是使用反射。

Reflections

Distant Reflection Volume

反射分為很多level，最遠一級叫做DRV（Distant Reflection Volume），使用的傳統的cubemap：

特性包括：

1. 根據玩家位置變化
2. 精度256*256
3. 隨24小時時間變化

缺點是不夠精確。比如一個直接使用DRV的玻璃牆建築的反射效果：

會發現很多看不到天空的位置也反射了天空的信息，需要為DRV生成反射遮擋信息，Sky Visibility Mask，這個信息是由Enlighten生成的。Sky Visibility Mask適用於白天，對於晚上來說，需要考慮來自街道的反射。所以這個mask信息在晚上使用會經過特殊的對比度曲線處理。

Local Reflection Volume

再低一級的反射level叫做LRV（Local Reflection Volume）

使用的是parallax-corrected cubemap。對一個cubemap的影響區域，需要根據區域來進行cubemap的影響範圍劃分，比如圖中綠色的區域都不受室內的cubemap影響：

也會根據normal、face進行cubemap影響的權重過渡，硬過渡：

根據normal過渡：

cubemap並不是很cheap的，使用了單獨一次light來進行計算。

LRV使用的cubemap也會隨著時間變化不停的重新生成。

更近一級的反射叫做SSR（Screen Space Reflection）

使用Raytrace、基於Depth buffer、粗糙度（粗糙部分要進行blur sample）進行反射計算。No SSR：

SSR：

可以根據粗糙度和World Normal進行優化，天花板部分、過於粗糙部分不做反射計算：

另外，反射計算可以像shadow計算一樣是一個非同步的過程。對於SSR有一些要處理的問題：

1. 一些opaque lines會阻擋ray trace，可以不寫深度
2. 透明物體不反射

Local Planar Reflections

最後一級反射是Local Planar Reflections。比如鏡面反射：

Getting the right white

白天最初的太陽光照強度、Camera曝光係數為：

1. Sun ：100000LUX
2. EV 12.6（Overexposed by 1.8 EV）

晚上最初的太陽光照強度、Camera曝光係數為：

1. Sun ：100000LUX
2. EV -0.35（overexposed by 1.5 EV）

日出最初採用的光照強度、Camera曝光係數為：

1. Sun ：100000LUX
2. EV 5.7（overexposed by 1.8 EV）

會顯得local光的比例不足：

日出重新調整後的參數：

1. Sun ：1000LUX
2. EV 0.45（overexposed by 1.8 EV）

另外，這裡發現，採樣太陽光強度為1000LUX，加上調整EV值，可以得到100000LUX下相似的效果：

1. Sun：1000 LUX
2. EV 6（overexposed by 1.8 EV）

1. Sun：100000 LUX
2. EV 12.6（overexposed by 1.8 EV）

在有些情況下，使用100000 LUX的太陽光強度會導致如下現象：

這是由於camera感知的光照強度範圍相對於人眼要有限的多，這裡用正常camera的曝光方式，光照特彆強的部分完全爆掉了，但是真實世界中，人眼是能夠看到亮部的細節的。這裡處理方式是使用1000 LUX的太陽光強度：

所以，最終遊戲中使用了1000 LUX的太陽光強度（100000是PBR的）。

在曝光計算中，另外一個比較重要的是Tone Mapping，即從HDR空間轉化到Image的LDR空間。直接使用sRGB曲線的效果：

使用現在Game常用的Filmic曲線，對比度偏弱：

基於Filmic做了修改，得到的效果：

另外，提供給美術color grading的方式可以進一步對顏色、對比度進行調整：

Local Lighting

local lighting的光照也是基於物理的：

• 希望使用Lumens或者Candelas作為光照強度
• 使用真實的衰減係數

• 色溫值

• IES photometric 基於真實世界中的光照強度分布（或衰減）

• 區域光

存在的問題：

• 無法使用真實世界中的光照強度：

由於真實世界中的光源有很多屬性無法模擬，所以無法直接使用真實世界中的光照強度值。最後採樣的方式是，設置好camera的曝光參數，然後調整光源的強度到合適的值。

另外，通過一些參數可以讓美術更好的控制光照的表現：

• 衰減控制

• 強度clip

另外，對於這些光源的彈射，可以設置彈射比例和顏色傾向，以取得更好的彈射效果：

這些光源採用tile base的渲染方法，每幀的預算是3.3ms：

local light的陰影計算：

1. 同時最多計算8個光的陰影
2. 陰影計算會進行cache
3. 陰影切換的時候做平滑過渡

Image Stylization

Post Effects

Bloom

Raw:

Bloom：

不同的顏色有不同的blur權重：

可以調節垂直或者水平方向的bloom:

bloom的結果可以再乘上貼圖信息，出一些特殊效果。還針對bloom實現了Lens reflection效果（屏幕上有一些bloom對應的暈光）。

Simple Volumetrics

基於Volume Sphere的Color Shift，可以營造局部的顏色氛圍效果：

廣告牌效果

廣告牌顯示的內容是變化的（video），這就要求產生的光效、以及對周圍的影響是動態變化的：

根據每幀video的畫面，能夠得到一個平均顏色，然後基於這個顏色，可以使用Simple Volumetrics對周圍產生光照影響。

Cinematics

Characters

基於人臉掃描，生成模型、貼圖信息

做一定的修改，做風格化處理，得到的數據和渲染效果：

實現SSS效果：

Eye shader，通過Parallax和不同的normal實現虹膜和角膜的視差。

頭髮的各向異性：

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