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title: Lumen学习笔记（1）——官方文档与视频笔记
date: 2022-08-26 14:50:26
excerpt: 
tags: Lumen
rating: ⭐⭐
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## 前言
其他lumen学习视频：https://www.youtube.com/watch?v=CFKNoeUPQGQ
Lumen | Inside Unreal https://www.youtube.com/watch?v=QdV_e-U7_pQ

Lumen的设计目标：
- 大型开放世界
	- 需要流式加载
	- 需要控制百万级的实例物体
- 室内环境
	- 实现实时GI十分困难

因为Lumen的关系，UE5改进了距离场系统，分辨率是UE4的2倍。这也让DFAO获益。

### 效果支持
- 反射
	- 反射效果会带有GI，同时支持Clear Coat材质。
- GI 
	- 支持对半透明物体、体积雾提供GI效果。但与不透明物体相比想过会差很多

### UE5.0版本Lumen限制
-   流明全局照明不能与光照贴图中的[静态照明](https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/static-light-mobility-in-unreal-engine)一起使用。Lumen Reflections 应该在虚幻引擎 5 的未来版本中扩展为与光照贴图中的全局照明一起使用，这将为使用静态照明技术的项目提供进一步扩大渲染质量的方法。
-   Lumen Reflections 不支持多重镜面反射。与折射。
-  5.1才会支持薄片材质（用于制作树叶）。
-   Lumen[](https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/single-layer-water-shading-model-in-unreal-engine) 目前不支持 [单层水材质。](https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/single-layer-water-shading-model-in-unreal-engine)
-   Lumen 目前不支持场景捕捉或分屏。
-   Lumen与[Forward Shading](https://docs.unrealengine.com/5.0/en-US/forward-shading-renderer-in-unreal-engine)**不**兼容。

- 对模型有一要求，如果是想汽车这种外壳薄、内部结构复杂的模型。作者说之后会去解决。

## 开启方式
开启Lumen的相关选项：
- ProjectSettings-Rendering
	- Global Illumination -> Dynamic Global Illumination Method -> Lumen
	- Reflection -> Reflection Method -> Lumen
	- Software RayTracing -> Generate Mesh Distance Fields -> True

硬件Lumen支持开启：
- ProjectSettings-Rendering
	- Lumen -> UseHardware RayTracing when available -> True
	- Hardware RayTracing -> Support Hardware RayTracing -> True

另外还可以通过PostProcessVolumn的相关选项开启（GI与Reflection），还可以设置质量。

## 控制方式 
- 场景内的灯光属性
- 材质的BaseColor与Roughness
- 曝光

## 工作原理
分硬件光线追踪与软件光线追踪2种方式。同时Lumen也是一种混合方案。

### Surface Cache
起名为Cards，生成方式为Mesh Capture的方式，它会在低分辨率下捕获材质信息。
- 可以使用`r.Lumen.Visualize.CardPlacement 1`显示构建方式。
-  `Show->Visualize->LumenScene`可以查看Surface Cache。当Lumen显示不正常时就可以使用这个工具来查找问题。

![Lumen Card Placement Visualization](https://docs.unrealengine.com/5.0/Images/building-virtual-worlds/lighting-and-shadows/global-illumination/lumen/TechOverview/mesh-card-placement-visualization-alt.jpg)

注意：
1. `只能使用简单的内部结构的模型`，不然会导致SurfaceCache生成错误。
2. 对于高面数模型需要使用Nanite进行处理，不然效率会非常低。作者建议使用Nanite对场景模型进行高效的LOD设置（哪怕是个小模型）。
3. 实例化的静态网格物体必须是Nanite。

### 软件光线追踪
1. 首先使用深度缓存（屏幕空间）进行追踪。
2. 如过Ray Miss或者离开屏幕范围，就会使用ComputeShader对SDF进行追踪。（Mesh距离场与全局距离场）
3. 将光照的Ray Hits结果写入`Surface Cache`。

#### 优化 
`ProjectSettings-Rendering-Lumen-SoftRayTracingMode`有`DetailTracing`与`GlobalTracing`选项，后者会跳过Mesh SDF直接去追踪全局距离场。对于一些模型叠加比较厉害的场景可以使用`GlobalTracing`来提高效率。

#### 限制
1. 目前仅支持StaticMesh、StaticMeshInstance 、Landscape。
2. 不支持有WorldPositionOffset修改的材质。

### 硬件光线追踪 
- 最高质量，但是性能高消耗+显卡限制。
- 需要显卡支持Dx12。

硬件光线追踪不会直接去追踪原始的Nanite模型（因为API不兼容问题），而是会去追踪Nanite提供的一个简化 几何代理版本。所以如果场景GI效果不佳，可以适当提高Proxy TrianglePercent比例，1% -> 2%~5%。

#### 限制 
- EA版中 Instance 数量不能超过100000
- 高面数的骨骼模型在Lumen中会非常消耗资源
- 模型不能有大量的重叠（对于有大量重叠的场景可以考虑使用软件光线追踪）
- 速度比软件光线追踪慢50%，但更加精确

### Lumen Final Gather
RayTracing相当耗费资源，因此只能只能承担1/2 Rays per pixel，但室内场景中需要200+采样才会有可以接受的结果。因为需要尽可能得利用每一次Ray Hit取得的结果。

一些常用的方法：
- Irradiance Fields（二阶球谐与体素GI？）
	- 独特的扁平外观？distinctive flat look
	- 缓慢的光照更新速度 
	- 需要人工放置VolumnBox
- 屏幕空间降噪器
	- 性能消耗很大
	- 降噪在光追之后，效果很有限

Lumen使用了**屏幕空间辐射度缓存** ，这样允许我们从很小的一组位置进行追踪。通常会将采样降低约1/16，并对每个采样点进行更多的光线追踪采样。（牺牲密度来提高精度） 之后使用插值的方式来填补周围像素。
![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/blueroseslol/ImageBag@latest/ImageBag/Lighting/Lumen_DownsampledTracing.png)

Lumen还使用**世界空间的辐射度缓存**，也就是探针（数量较少），这些探针将会重复运用于多个像素。使用`r.Lumen.RadianceCache.Visualize 1`可以显示出探针。与VolumeLightMap不同，Lumn并不使用这些探针直接渲染GI效果，而是从像素开始RayTracing。
![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/blueroseslol/ImageBag@latest/ImageBag/Lighting/Lumen_WorldRadianceCache.png)

Lumen与降噪器效果比较：
![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/blueroseslol/ImageBag@latest/ImageBag/Lighting/Lumen_GIComparison.png)

### Lumen Reflection
- 对于较为粗糙的物体（Roughness < 0.4)，会使用额外的光线进行光线追踪，会耗费额外资源。
- 对于较为光滑的物体（Roughness > 0.4)，会重用追踪结果，高光波瓣会收敛在diffuse上。（也就是说GI会考虑到高光）
- 降噪采用Spatial与Temporal降噪器

屏幕上一半的反射是由Lumen Finaly Gather提供的。这样是的Lumen GI与Lumen Reflection能很好的结合在一起，但这样也加重了Lumen的消耗。

在默认情况下渲染反射效果时（即使打开光线追踪），当光线命中物体会直接从表面缓存获取到所有光照结果。这种方式的渲染效率是Rtx反射的两倍，但效果挺差的。将`Lumen Reflections-Quality`值提高到4时，Lumen会去实际计算反射结果，以提供更准确的效果。
![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/blueroseslol/ImageBag@latest/ImageBag/Lighting/Lumen_ReflectionQuality.png)

此时多重反弹的反射效果与天光依然由表面缓存提供。

#### Lumen Reflection vs Ray Traced Reflection 
- Lumen Reflection Support 
	- Screen Traces
	- Software Ray Tracing
	- Dynamic GI In Reflection(表面缓存)
	- Shadowed Moveable Skylight In Reflection(表面缓存)
	- Clear Coat 2 Layers of Reflections
- Ray Traced Reflections Support
	- LightMap GI In Reflections 
	- Multi-Bounce Reflections 
- Future：Lumen Reflections 
	- Bring Over Remaining Feature From Ray Traced Reflection

## 最佳实践
- Emissive
	1. 使用Lumen时，不要使用自发光材质模型代替灯光。（容易产生大量噪点）
	2. 使用较大的自发光材质模型做出一些效果。比如夜晚房间中的电视机效果。以及场景中微弱补光。
	3. 使用较小的自发光材质模型+灯光。![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/blueroseslol/ImageBag@latest/ImageBag/Lighting/Lumen_Emissive1.png)
- BaseColor 
	1. BaseColor与GI影响很大。
	2. 非常暗以及糟乱BaseColor会产生很烂的GI效果。![](https://cdn.jsdelivr.net/gh/blueroseslol/ImageBag@latest/ImageBag/Lighting/Lumen_BaseColor.png)
	3. 作者建议使用材质集+材质参数来调整MegaScane资产BaseColor贴图的亮度，这样可以保证所有材质的亮度保持统一。
- Indirect Lighting Intensity（灯光的选项）
	1. 现在不支持屏幕空间追踪。（预览版）
	2. 将其设置为1外的值会出现伪影。（预览版）
- Performance
	1. Epic 质量为游戏主机上30帧的设置。
	2. High质量为游戏主机上60帧的设置。

## 其他
1. 是否支持物理灯光？作者认为是支持的，同时内部也有一些项目使用。但没有经过严格测试。可以确定Emissive材质物体会直接失效，因为Emissive物体也需要提高到相应的亮度才能显示。
2. 目前Lumen Reflection 不支持 LightMap，而且LightMap还会额外占用显存。


# 王祢的讲解视频（详细的算法解释）
- UnrealCircleNanite技术简介 | Epic Games China 王祢
- UOD2021虚幻引擎5渲染特性解析 Lumen | Epic Games 王祢

1. RadianceCaching

# 中文直播
[中文直播]第42期 | Lumen高品质渲染解析 | Epic 纪大伟 https://www.bilibili.com/video/BV15d4y1V7p9?vd_source=d47c0bb42f9c72fd7d74562185cee290

Ctrl+L调整灯光，勾选灯光选项。

## MeshCrad
1. MeshCrad构建数量，数量过多会卡。
2. `r.Lumen.Visualize.CardPlacement 1`显示构建的MeshCard。

## SurfaceCache
- 黄色：模型完全没有SurfaceCache
- 粉色：只有部分模型有SurfaceCache

解决错误
1. 在后期盒子里调整SceneDetail
2. 把错误的模型拆开。

## 灯光矫正