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Lightmass Deep Dive 2018
Vol.1 Lightmass内部アルゴリズム概要(Lightmap編)
Nori Shinoyama
Epic Games Japan / Support Manager
目次
1. はじめに
2. Static Lightingを4種類に分類
3. ライトマスで使われるアルゴリズム各種
※UE4.20での実装について説明しています
#1 はじめに
注意点1: このスライドはあくまで概要です。
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。
注意点 2: Debug Info of LIghtmass...
これから、このような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。
注意点 3: とても簡素な絵での説明が続きます
非常にシンプルな図で恐縮ですが、
右図のような空間をイメージして頂けますと幸いです。
#2 Static Lightingを4種類に分類
初めに、Lightingを直接光と間接光に分けます
Direct
Lighting
Indirect
Lighting
直接光 (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。
間接光 (Indirect Lighting)
二次反射。照り返し。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も、光が回り込む。
Lightingの種類によって分割...
Direct
Lighting
1 3
Indirect
Lighting
2 4
更に、LightがPhotonを出すかによって二種類に分けられます
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
OR
この4種類に対してそれぞれ設定ができるので見ていきます。
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
Direct
Lighting
1 3
Indirect
Lighting
2 4
#3 ライトマスで使われるアルゴリズム各種
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
Direct
Lighting
1 3
Indirect
Lighting
2 4
Direct Lighting from Lights emitting photons
(Point/Spot/Directional/Rect)
Photonを出すライトからの直接光
Photonを出すライトからの直接光
Direct Lightingは、
ライトの方向へレイを直接飛ばして行います。
※Photon Mappingは関与しない.
ライトの大きさの設定
Light のSource Radius でライトの大きさを変えられます。
ライトの大きさの設定
Light のSource Radius でライトの大きさを変えられます。
Source Radius = 100 Source Radius = 400
ライトの大きさの設定
Light のSource Radius でライトの大きさを変えられます。
ライトの大きさにより、影が変わるのがわかるかと思います
Source Radius = 100 Source Radius = 400
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
Direct
Lighting
ライトに直接レイを飛ばす 3
Indirect
Lighting
2 4
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
Direct
Lighting
ライトに直接レイを飛ばす 3
Indirect
Lighting
2 4
Indirect Lighting from Lights emitting photons
(Point/Spot/Directional/Rect)
Photonを出すライトからの間接光
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
Direct
Lighting
ライトに直接レイを飛ばす 3
Indirect
Lighting
Photon Mapping
でシミュレーション
4
Photon
Mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
間接光計算のための主なアルゴリズム3つ
Photon
Mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
まずはPhoton Mappingから
Photon Mappingとは
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トする
Photon Mapping
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Photonは。。。
Photon Mapping
壁に留まり、反射(バウンス)を表す新たなPhotonを放つ
Photon Mapping
新しいPhotonもどこかにぶつかったら。。。
Photon Mapping
新しいPhotonもどこかにぶつかったら。。。
Photon Mapping
更にバウンス。
Photon Mapping
沢山のPhotonを沢山反射させ、
光が回り込む間接光をシミュレートする。
Photon Mapping
Direct Photons
Indirect Photon Paths
Photon Mapping
シーンがPhotonで満たされたら。。。
Photon Mapping
各Lightmapのテクセルは近辺のPhotonから
自身のライティングを見積もる。。。試してみると。。。
Only Photon Mapping
Lighting Quality: Preview
Only Photon Mapping
Lighting Quality: Production
photonが足りない!!
Only Photon Mapping
設定をいじくりProductionよりもPhotonの数を上げていく…
Only Photon Mapping
設定をいじくりProductionよりもPhotonの数を上げていく…
徐々にクオリティは高くなっていくが。。
いつになったらPhotonが足りるのか。。。
Only Photon Mapping
このテクセルに届くPhotonはどれくらいでしょう?
Only Photon Mapping
(Direct Photons)
Point Lightから放出されたものの一部
Only Photon Mapping
(Indirect Photons)
Photonがどこかにあたって。。。
Only Photon Mapping
?
?
?
? (Indirect Photons)
Photonがどこかにあたって。。。
テクセルに届くかも。。。
Only Photon Mapping
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。
それは非常にコストが高い。
Photon
Mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Photon
Mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Final Gathering
近傍のPhotonの探索だけでは不十分。。。
Final Gathering
逆に、各テクセルからレイを飛ばし、
もしもそのPhotonがこっちに飛んできたならば
どれくらいの影響があるかを調べる。
?
?
?
Final Gathering
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。
Final Gathering
あるテクセルから発せられた Final GatherのRayの視覚化
黄色はどこかにヒットした Ray。
青は無限遠に消失(もしくはSkylightにヒット)したもの
Final Gathering
Photon Mapping -> Final Gathering
見違えるような結果のFinal Gathering….ですが...
Final Gathering
レイの数が少ないと大量のノイズを生みます。解決するためにレイの数を増やすとビ
ルド時間が非常に長くなる危険性があります。
Production: ILQ 10Preview: ILQ 1
Final Gathering
各テクセルが独立してレイを飛ばすので、
近隣のテクセルの相関がありません。
なのでレイの数が少ないと沢山のノイズが発生してしまいます。
Photon
Mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Photon
Mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Irradiance Caching
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?
Irradiance Caching
どこかFinal Gathering したら。。。
Irradiance Caching
その情報をキャッシング
Irradiance Caching
どこかFinal Gathering したら。。。
Irradiance Caching
その情報もキャッシング
Irradiance Caching
Irradiance Caching
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。
そのテクセルはFinal Gatherしないので高速
Irradiance Caching
Only Final Gather With Irradiance Caching
Irradiance CacheによってFinal Gatherのノイズが軽減
Irradiance Caching
Preview
設定によって、各キャッシュの数と大きさ、補間の度合いなどを調整可能
Production
Irradiance Caching
Preview
ノイズを除去しかつ高速化されるが、あまりに大きな補間を行うとディティールが
なくなるので注意が必要
Production
Photon
mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Photon
mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Lightmass内部の間接光計算のアルゴリズム概要
Final Gathering
Irradiance Caching (IRC)
Each texel...
NO!!
YES!!
値を補間してテクセルに格納し、
次のテクセル計算へ
Photon Mapping
Scene Setup
近くのIRCから
補間可能?
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
Direct
Lighting
ライトに直接レイを飛ばす 3
Indirect
Lighting
Photon Mapping
でシミュレーション
4
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
Direct
Lighting
ライトに直接レイを飛ばす 3
Indirect
Lighting
Photon Mapping
でシミュレーション
4
Direct Lighting from Lights NOT emitting photons
(Sky Light)
Photonを出さないライトからの直接光
Skylightからの直接光
SkyLight
Skylightは360度無限遠からのライティングです
SkyLight
Skylightからの直接光
Skylightからの直接光はFinal Gatheringの時に計算されます。
Skylightからの直接光
この青いレイ達がSkyLightにヒットしたレイです
(Skylightがなければ無限遠に消失したという意味になります)
SkyLight
Skylightからの直接光
?
これだけのレイで十分??
Skylightからの直接光
悪い例) Skylightからのみのライティング。にじみだらけ。
SkyLight
Skylightからの直接光
?
SkyLightに向けてもっとレイが欲
しい!
Lightmass Portal
Lightmass Portal
SkyLight
Portal
Final Gatheringの再分割を強制させる
Lightmass Portal
SkyLight
Portal
Final Gatheringの再分割を強制させる
Lightmass Portal
例として実際に各テクセルのFinal Gatheringのレイの数を見てみる
Lightmass Portal
No Lightmass Portal With a Lightmass Portal
Lightmass Portal
No Lightmass Portal With a Lightmass Portal
Lightmass Portal
Please ignore the lightmap padding error...
No Lightmass Portal With a Lightmass Portal
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
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
4
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
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
4
Indirect Lighting from Lights NOT emitting photons
(Sky Light)
Photonを出さないライトからの間接光
Skylightの間接光
SkyLight
SkylightはPhotonを出さない。。。
Skylightの間接光
SkyLight
しかし、Skylightからも間接光は出したい
Lightmass内部の間接光計算のアルゴリズム概要
Final Gathering
Irradiance Caching (IRC)
Each texel...
NO!!
YES!!
値を補間してテクセルに格納し、
次のテクセル計算へ
Photon Mapping
Scene Setup
近くのIRCから
補間可能?
Mini Iterative
Final Gather &
Irradiance Caching
For Skylights
New!!!
Skylightの間接光
SkyLight
Cache!
Photon Mappingなどの前に、Final GatherをしてSkylightからのライ
ティングをキャッシュしておく
Skylightの間接光
SkyLight
Photon Mappingなどの前に、Final GatherをしてSkylightからのライ
ティングをキャッシュしておく
SkyLight
Skylightの間接光
複数回のバウンスを表現するために、FG&IRCを指定したバウンス回数
まで繰り返す。
SkyLight
Skylightの間接光
複数回のバウンスを表現するために、FG&IRCを指定したバウンス回数
まで繰り返す。
Skylightの間接光
“Num Sky Lighting Bounces”で反復回数を指定
Skylightの間接光
0 (Direct Lihgting Only) 
1
2
“Num Sky Lighting Bounces”で反復回数を指定
Advanced: Emissive Light
Emissiveにより自己発光しているStatic Objectは、
Lightmass内部で光源として扱うことができます。
Advanced: Emissive Light
しかし、Skylightと同様にEmissive LightもPhotonを出せません。
Advanced: Emissive Light
Emissive Lightのライティングは、
Skylightと同様にFinal Gatheringを基準に行われます。
Advanced: Emissive Light
なので”Num Sky Lighting Bounces”はEmissive Lightにも効きます
Advanced: Emissive Light
Num Sky Lighting Bounces = 0 Num Sky Lighting Bounces = 3
Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal
小さな Emissive LightはFInal Gather時にヒットせず、
参照されないこともあります。。
Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal
結果、非常にノイズが多いLightmapを生成する可能性があります
Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal
Lightmass Portal
ノイズを軽減する方法として、そのEmissive Lightよりも大きなLightmass Portal
で囲ってあげる方法があります
Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal
Lightmass Portal
Lightmass Portalにさえ当たれば、Final Gatheringのレイの分割が行われ、結
果Emissive Lightにレイがヒットしやすくなります
Tips: Emissive light にも効く Lightmass portal
No Lightmass Portal With Lightmass Portal
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
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
Skylight専用の
FG&IRC
を複数回繰り返す
Summary
Lightingの種類とLightの種類で4項目に分類
Lights
emitting photons
Lights
NOT
emitting photons
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
Skylight専用の
FG&IRC
を複数回繰り返す
Photon
mapping
Final
Gathering
Irradiance
Caching
Photon Mappingを軸にした間接光表現のためのアルゴリズム
Lightmass内部の間接光計算のアルゴリズム概要
Final Gathering
Irradiance Caching (IRC)
Each texel...
NO!!
YES!!
値を補間してテクセルに格納し、
次のテクセル計算へ
Photon Mapping
Scene Setup
近くのIRCから
補間可能?
Mini Iterative
Final Gather &
Irradiance Caching
For Skylights
New!!!
Thank you for your time!

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