Unreal4: GPU Lightmap

UE4通过ightmapPathTracing.usf实现静态物体的lightmap烘焙。lightmap是把模型表面的光照情况预计算并缓存起来的一张贴图，首先讲模型表面展开到uv空间且不能uv覆盖，因为平常的uv贴图可以复用，但是模型上每一个点的光照情况可能都不一样；然后，对lightmap texel对应的模型表面点，做光照的半球积分。

lightmap的材质限定

Lightmap本质上存储的是表面的入射辐照度（irradiance），它隐含的假设是最终着色时该表面以 Lambertian 漫反射来使用这份光照数据，运行时乘以 diffuse albedo 得到出射颜色。UE4 lightmass在烘焙lightmap时，在计算间接光弹射时，所有中间弹射表面也被作为diffuse reflector处理，在中间弹射点做cosine-weighted半球采样，忽略材质的specular、roughness、metallic等属性，忽略特殊的光效，比如焦散（caustics，即 LSDE光照路径）。Lightmass 烘焙的整个光照传输链路中，每一次弹射都是diffuse的，Lightmass取Base Color作为弹射albedo，理论上金属化的表面（metallic = 1）在PBR中几乎没有diffuse分量，这样的处理可能会有不一致的问题。

Lightmap是view-independent的，因为它只记录一个光照数值（也可能是Directional lightmaps，记录一个direction map，用来使用normal map）。但是间接光路的计算只考虑diffuse，可能更多源自于对工程和收益的权衡。

specular BRDF或glossy BRDF采样效率：按照brdf采样可能对不上实际光源，cosine半球采样可能效率差
焦散路径本质上不适合路径追踪的 gathering 方式：业界公认的高效做法是从光源出发的 photon mapping 或双向路径追踪（BDPT）
Lightmap分辨率低：焦散、高光这种高频信息的存储
工程复杂度与收益不成正比

因此UE4中Lightmass的烘培是全diffuse处理，而specular部分则由运行时其他系统（Reflection Capture、SSR、Lumen 等）来实现。

UE4 Lightmass光路和公式推导

直接光照 对应bounce == 0, lightmaptexel的材质返回basecolor为1

1	float3 LightContrib = PathThroughput * LightSample.RadianceOverPdf * MaterialEval.Weight * MaterialEval.Pdf;

1 2	float OutPdf = NoL / PI * PdfAdjust; float OutWeight = (OutPdf > 0.0f) ? (1.0f / OutPdf) : 0;

MaterialEval.Weight:
MaterialEval.Pdf:

直接光保存单独保存，然后输出的时候：

1	IrradianceAndSampleCount[TexelIndexInPool].rgb += float3(DirectLightingNEERadianceValue * TangentZ / PI);

最终处理：

间接光照 对应bounce != 0, 使用光路中间弹射点材质的basecolor，记作

MaterialEval.Weight:
MaterialEval.Pdf:

NEE 采样光照

$为$

Material 采样材质

throughput的更新

1 2	float3 NextPathThroughput = PathThroughput * MaterialSample.Weight; float3 LightContrib = PathThroughput * LightResult.Radiance;

推导过程：符合渲染方程

1	IrradianceAndSampleCount[TexelIndexInPool].rgb += float3(RadianceValue * TangentZ / PI);

最终处理：, 对齐bounce == 0时的处理，乘以

其他处理
- 光照计算中的MIS，分别sample light和sample material的Power Balance MIS
- RR：轮盘赌，是否提前结束光路
总结
- ue4中的写法，把一些计算量给掰开，造成很大的阅读障碍，原因目测是为了NextPathThroughput计算的一致性和便利性，在bounce是否等于0时都使用同样的处理
- 推导后的公式计算，都符合渲染方程的基本公式，并没有魔改内容。计算中因为材质问题，会引入概率计算，但并不偏离基础公式
lightmass的diffuse interreflection积分算法

UnrealEngine/Engine/Plugins/Experimental/GPULightmass/Shaders/Private/LightmapPathTracing.usf project/Saved/ShaderDebugInfo/PCD3D_SM5/Global/FLightmapPathTracingRGS/0/LightmapPathTracing.usf

Integrator

Unreal4: GPU Lightmap

lightmap的材质限定

UE4 Lightmass光路和公式推导

参考