问题描述

在全局照明领域,体探针插值漏光是存在多年的顽疾.比如 games202 里LPV(Light Propagation Volumes),unity的LPPV(light probe proxy volume),GDC上各种GI分享(某版cod) 还有之前我给项目实现的类似ue VLM的功能.都存在这个问题.和很多技术人员一样,一看到行业困难的技术点,就会自己动脑想一套更好的方案来解决他,因为这样可以名正言顺的造轮子.俺也一样,唯一不同的是我会想出3套^_^.

基础思路

根本的原因当然是探针的密度不肯能无限密,而切分空间的表面可以没有厚度.而一般的探针信息里 并没有描述空间划分的逻辑,所以上图中,只有红色探针往左和绿色探针往右2个区域是正确的,中间的插值就出错了.所以 所有的思路都是去描述空间的划分.或表面上一个像素与体素的归属关系修复上.就是让A点只采样红色探针,B点只采样绿色探针.因为他们的空间归属如此.

方案1:bent normal偏移

我没有把简单normal偏移作为一种方案,因为这种太基础了,unity杭州大会上 分享过.而我在写初版vlm的时候就顺手写了出来基本是非常容易想到的,而且效果也不够好.看下图,AB有个简单的区分方式,就是他们法线不同,沿着各自法线方向去取探针,那么会得到正确的结果.也让他们跳出了中间的错误插值地段. 但是,墙面不是总是简单一个方向的,有些横梁等结构会像黄色一样,法线偏移后依然是错误的探针,因为 AB2个面 这种结构法线完全一样无法区分彼此,还有更严重的问题是,当角色从A面靠近墙面的时候,靠墙的这部分角色法线是朝右边的,所以导致 A处的角色显示绿色的GI.

所以,我想到了用更大尺度的法线来描述总体法线朝向(或可见度方向).首先想到是屏幕空间normal的mipmap,但是 屏幕空间有相机外丢失信息的天然弊端,所以后面选择了,离线制作场景的bentnormal ,正确做法应该是对应lightmap 用uv2 解析.但为了演示方便我写到了顶点上.

测试下效果,用2个非垂直(垂直问题小很多)交叉,隔开的4个空间 分布打3个不同眼色的灯,不打灯的空间为黑色换角色,然后每0.5米一个探针 均匀放置探针.并创建出3dTexture .可以看到 normal 偏移 在非交叉处是对的 偏移方向就刚好是法线方向.

bentnormal算法

bentnormal的离线计算是比较常见的技术,比较简单就自己想了实现.原理就是 对某个点,法线所在的半球方向随机发出很多射线,没有发生碰撞的那些方向全部加起来,然后归一化.很像初中物理里求一堆力的合力,简单相加符合的力就可以.但是这种简单的计算依然会出现小的漏光,加强版里解决他.

这个图里 黑色的mesh与绿色mesh相交,那么 露出的顶点 显示的红色bentnormal方向是对的,但是最右边的顶点,因为在物体内部 所以他没有计算出bentnormal,这样导致,渲染的黄色部分,bentnormal是 左右2个顶点插值的结果,这样就导致黄色的bentnormal 偏移角度不够,依然会插值到 绿色框内部或右面的探针,产生漏光.

具体的改善是 不要原点发射方向,而是沿着射线方向偏移一点再发射.如下图,再考虑射线的双向碰撞检测,就可以抛弃蓝色碰撞部分,获得绿色部分的合成,这样得到顶点bentnormal(黄色),会更符合环境描述,导致红黄2个插值的结构也更正确.

该方法最终效果,关于动态对象,不能取这份数据,需要逐对象分帧每帧发射一条射线,累积附近的偏移方向判断(实时bentnormal计算)

方案2:DistanceProbe

同样是空间划分的描述,我们可以记录下碰撞体距离,根据是否大于距离判断是否取对面,总之在这种过渡位置不插值,要么取x处 要么取x+1处探针.取哪个根据shadingpoint 与probe的距离 是否大于提前记录的probe到障碍物距离来定.

下图所示,绿色圈表示 当前shadingpoint位置. 2个红圈表示 用来插值的2个probe颜色.为了直观只演示 x方向上的判断.

1.左边红圈处 没有记录往右存在1米内的碰撞 所以直接取x与x+1 ,2个红圈位置的probe颜色来插值.

2.右边存在碰撞,但与shadingpoint 距离小于 与碰撞体距离,那么就直接取x处probe颜色为 shadingpoint颜色.

3.X处 右边存在碰撞, 与shadingpoint 距离大于 与碰撞体距离,那么就直接取X+1 处probe颜色为 shadingpoint颜色.

所以只要把 偏移数据 再创建一个texture3D 来存储,设置为point filter.即可实现功能.

看下效果(每米增加到8个probe的效果).

这种方式有2个问题.1 需要较高的摆放密度,这是因为 同一个空间内比如 方案1里的 (0.5x0.5x0.5)内,只记录一个 到x+方向 的float距离,(y+ z+同理都是一个float),但是一个空间内不同位置 这个距离应该是不同的,所以需要尽量让这个单位空间去小的范围.2 这种距离固定是只出现在 碰撞面刚好与xyz坐标轴垂直的情况下.如果 表面不是轴对齐 那么 一个小空间内也不能用一个float描述距离,这时候需要记录 平面方程来 判断空间划分 而不是一个 float的distance,存储容量x4,而实际工程中 一定是需要支持非轴对齐的情况的,除非无限细分空间.

关于动态对象,这个算这个方案优势之处,因为存储的是空间信息所以 任何shadingpoint都能根据worldposition 直接获取偏移量 得到正确数据

方案3:Decal Offset

前面2种方案 都需要受到 体素/空间 划分密度影响,这是因为他们都是均匀摆放,导致一些位置受限.所以还有一种更直观的想法,就是我可以把某个不规则空间内 应该往哪个方向偏移 记录起来,等采样的时候访问.这种记录可以在任意位置(不需要均匀间隔),任意形状大小(为了方便用cube形状 但支持任何大小). 至于如何区分哪些是框住的部分,那么只要类似延迟贴花,算对象空间内坐标是否<0.5即可(cube中心 对象空间内 xyz任何一方>0.5都不在cube 包含范围内).

从顶视图看 我们为 其中一个空间 摆放 3个偏移cube,预计算每个cube中心的 非遮挡范围的中心方向(可见度cone的轴线方向)为箭头所示,并把这个方向 当作颜色 为3个cube 渲染到单独RendererTexture

该方案最终效果

可以看到,漏光基本修复了,但是 cube之间有接缝,这个需要多摆放一份cube让 偏移方向可以过渡 ,或者 对相邻cube做fade类似 reflectionprobe的 2个fade.

这种方案,因为cube数量多,而材质统一 顶点数少,正式工程,肯定用gpu culling来做,hzb等做剔除后 绘制instance性能很高.对于动态物体因为也是描述空间 而非表面所以 可以直接支持.

3个demo的 源文件工程

jackie2009/Probe_Light_Leak (github.com)