[siggraph2011]使命召唤之黑色行动中的光照技术

PhysicallyBased Lighting in Call of Duty: Black Ops

Dimitar Lazarov@Treyarch带来。

开发原则

treyarch开发过程中遵循这样的原则：“一起以效率为核心。”

很多地方有很多的

限制:可以简化问题，节省开发时间
特殊处理：以便把限制发挥到极致

实际开发中也的确如此，基本上treyarch比较看重实际，crytek看重上流，两者在销量和口碑上都分别达到自己梦想了。

forward lighting

treyarch依旧使用forward lighting，对它们来讲想达到60fps，deferred lighting太费了，deferred lighting更适合把帧数从15帧拯救到30，而不是从50弄到60.

但是forward lighting在很多地方付出了不小的代价：

mesh要小心的切分
lighting数量和摆放要好好控制

baked lighting

做了这几件事情：

light map
light grid：也就是irradiance volume这类的
environment probe：和crytek的那个差不多

radiance&irradiance

这里dimitar又给大家复习了下这两个概念：

irradiance：surface上的一个点中入射的所有光的量
radiance：一个点在一个方向上发出的光的量
两者之间是一个积分的关系，也就是radiance*dot(N,L)做半球积分便是irradiance

runtime lighting

diffuse
- primary diffuse:dot(N,L)
- secondary diffuse:从lightmap和lightgrid里面构建出来
specular
- prmary specular:microfacet brdf
- secondary specular :通过environment probe，fresnel，

physicallybased的原因：

更加的写实
更加的贴近现实并保持一致，美术也不用调整那么多
也就是在制作量和品质上会更好
额外的alu消耗也比较有限

其他一些相关：

gamma correct pipeline
hdr
- 没有用16位的rendertarget
- 把亮度限定在0--4
- 使用art driven exposure，而不是gpu down sample出来的那种，直接在shader输出光照的使用应用
- 还用filmic curve

光照模型

microfacet理论，直接看klayge的wiki吧，说的清晰简单。

早起treyarch使用cook-torrance模型，这也是众多学院派所提倡和建议的，但是后面在研究深入了之后发现可以在quality和performance上做的更好。

因外BRDF里面的几个部分可以各自选择：

distribution function
fresnel
visibility function

所以treyarch就在这一块多下了很多功夫。

distribution function
- 开始尝试的是beckmann
- 之后是用的phong ndf，发现效率更好，与beckmann几乎一样
fresnel
- schlick's approximation to fresnel(也就是取代cook torrance里的，获得更好的效率）
- 这里需要注意的就是microfacet理论下，normal其实是h（normalize(lightDir+viewDir))，这样给定viewdir和lightdir的话，fresnel项是一个和物件表面的normal无关的一个东西，这里可能有同学（比如我）会觉得不对劲，但是用这个理论模型就是这样，物件normal带来的明暗变化在distribution function和visibility function中带来，所以这一块实际上是类似全屏变亮变暗的项，使用1反而更接近正确的结果。
visibility function
- Kelemen-Szirmay-Kalos approximation to cook-torrance(4 instruction)
- Schlick's approximation to Smith'sShadowing Function(8 instruction)
- 这几种方式各有千秋，treyarch最终选择了Schlick-smith，效果最好（性能消耗最大）
- visibility function是一个在normal,lightDir,viewDir,specPower上的函数，表达的是有给定normal的microfacet被light和view看见的几率

EnvironmentMap

首先environement map怎么用的问题，b3d上问了一下，得到较为准确的答案，environement map要理解为是secondary specular，正如irradiance volume等是secondary diffuse一样的位置，作为primary specular light的补充存在的。

第一个问题就是environment map的压缩问题，大的resolution效果好，但是无法承受其消耗。

解决的办法是把environment map中的亮度在地图中除以averagediffuse lighting，然后进行存储，在使用的时候再通过乘以averagediffuse lighting转回来。

解除亮度之后呢，evironment map其实就变成environmentdistribution map了。

这个过程treyarch叫做normalization，但是这个之后怎么去节省内存，没说。。。估计是normalized color可以少一个通道等方法压缩。

这里还提到了一个工具是ati的CubeMapGen，可以生成CubeMap，prefiltermipmap, dxt自己的工具还有些问题，cubemapgen可以把这些处理好。

在sample cube map的时候和crytek一样，根据gloss的值来选择不同mipmap的texel来sample，对于很glossy的material，就会出现很大的mipmap 上sample的跳跃，也就是会造成texture cache trashing。

treyarch的解决办法是：variance to gloss---没有细说，应该是对gloss的方差严重的材质做一些blur。

fresnelfor glossy reflections

fresnel这里有这样几个选择：

mirror reflection
microfacet highlights
glossy reflection---把多个microfacet normal平均一下

一个效果上完美的solution是做多个cubemap sample，把它们用brdf做到一起，但是这个就太消耗了。

所以在要达到的目的清晰的前提下，treyarch采取的方法是把从prefilter的cubemap里读出的值来替代使用cube map多点sample，然后brdf，在积分的方法。

special cases

materialspecular color基本可以分成两个部分：

metal，colored specular大于0.5f（linear space）
non-metal, monochrome specular between 0.02and 0.04 linear space

纯金属类的shader：没有diffusetexture，没有diffuse lighting

非金属类：没有specular texture，

美术方面

这部分很喜欢，程序员谈游戏开发只谈技术就太狭隘了。

这里技术上的革新给美术带来一些不适应，需要更多的培训和示例，在美术制作的时候需要一段时间来培养这种感觉，因为以前美术画一个东西出来什么样子心里能估个大概，但是刚转到新的技术上时候感觉要重新建立，所见即所得的工具非常重要。

diffusetexture，使用照片来做diffuse texture就不太行，因为照片里面已经包括了lighting信息，需要被仔细的校准。

specularmap，不再是specular_map_texel*pow(dot(h,l),spec_power)里面的那一项了。

这样也不再能把ao cook到spectex里了。

而且也没有gloss map重要。

glosstexture，最重要的也是最难做的map，

小结

physicallybased lighting消耗额外的%10--%20的ALU，但是效果上有较大提升，是一个高性价比的选择。

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