Lecture05 Lighting, Materials and Shaders

The Rendering Equation

\[ {\displaystyle L_{\text{o}}(\mathbf {x} ,\omega _{\text{o}},\lambda ,t)=L_{\text{e}}(\mathbf {x} ,\omega _{\text{o}},\lambda ,t)\ +\int _{\Omega }f_{\text{r}}(\mathbf {x} ,\omega _{\text{i}},\omega _{\text{o}},\lambda ,t)L_{\text{i}}(\mathbf {x} ,\omega _{\text{i}},\lambda ,t)(\omega _{\text{i}}\cdot \mathbf {n} )\operatorname {d} \omega _{\text{i}}} \]

L05_Rendering

多重挑战：

  • 如何得到入射光
    • Visibility to Lights, Shadow
    • Light Source Complexity, 尤其面光源
  • 如何快速地积分
  • 如何计算次级光源，全局光照，无限递归

从简单开始

  • Ambient + Simple Light == Result

  • 环境光贴图反射

  • 相当于Rendering Equation特例化

  • Blinn-Phong \[ \begin{aligned}L&=L_{\text{ambient}}+L_{\text{diffuse}}+L_{\text{specular}}\\ &=k_{\text{ambient}}I_{\text{ambient}}+k_{\text{diffuse}}(I/r^2)\max(0,\mathbf n\cdot\mathbf l)+k_{\text{specular}}(I/r^2)\max(0,\mathbf n\cdot\mathbf l)^p \end{aligned} \] 问题：

    • 能量不守恒/保守（离线渲染时能量会超出）
    • 质感太塑料

  • Shadow Map 从灯光位置渲染深度Buffer

    问题：

    • 采样问题 -> 自遮挡
    • 加入阈值 -> 阴影与实体有距离

预计算GI

  • @GAME202 PRT

  • 利用SH，用24bit就可以存储一个点的光场

SH Lightmap
  • UV Atlas L05_UVAtlas
  • 烘焙光照
  • 优点：高效、细节 缺点：预计算量大；只能处理静态（动态物体可以有Hack方法，但有问题）；GPU存储量大
Light Probe
  • 在空间中撒采样点（Probe）
  • 每个Probe计算其光照
  • 自动均匀撒采样点
  • 反射Probe 一种特殊的Probe
    • 采样精度高
    • 分布密度低
    • 提供非常好的反射效果
  • 优点：高效，静态动态均可用，可以处理diffuse和specular 缺点：效果没有Lightmap好（采样稀疏）

Physical-Based Material

@GAME202 Physically-Based Material

  • Microfacet BRDF

  • Disney Principled BRDF

  • 主流应用：Specular Glossiness模型

    • Diffuse - RGB - sRGB
    • Specular - RGB - sRGB
    • Glossiness - Grayscale - Linear
    • 问题：过于灵活，Specular项易导致Fresnel项错乱

    L05_SG

  • 主流应用：Metallic Roughness模型

    • Base Color - RGB - sRGB
    • Roughness - Grayscale - Linear
    • Metallic - Grayscale - Linear
    • 在SG基础上封装，Metallic限制Specular的应用
    • 非金属和金属过渡时可能有白边

    L05_MR

Image-Based Lighting

@GAMES202 Environment Lighting

  • Diffuse Irradiance Map
  • Specular : Split Sum

Classic Shadow Solution

Cascaded Shadow Map

L05_CSM

挑战：不同层级之间的Blend

缺点：计算开销大（4ms）

软阴影

@GAMES202 Soft Shadow

  • PCF -> PCSS
  • Variance Soft Shadow Map

上一世代的3A游戏渲染

  • Lightmap + Lightprobe
  • PBR + IBL
  • CSM + VSSM

现代3A游戏渲染

@GAMES202 GI & RTRT

  • RTRT
  • Real-Time GI
    • SSGI
    • SDF GI
    • VXGI
    • RSM
    • RTXGI
    • …
  • 更复杂的材质模型
    • BSDF 头发
    • BSSRDF
  • Virtual Shadow Maps 把Shadow Maps放到一个巨大的Shadow Map上（类似Virtual Texture）

Shader管理

  • Uber Shader 宏定义做分支，GPU不适合分支，再将Uber Shader编译成大量Shader。需要修改时，只需要修改Uber Shader，一次编译所有结果。
  • 跨平台的Shader编译
    • SPIR-V