【新智元导读】虚幻引擎5中，多亏有了全局光照系统Lumen才能让更多人人沉浸在虚拟世界中。对于它的研发过程，创立者Krzysztof Narkowicz对其进行了解读。

实时全局光照（Real-time GI）一直是计算机图形学的圣杯。

多年来，业界也提出多种方法来解决这个问题。

常用的方法包通过利用某些假设来约束问题域，比如静态几何，粗糙的场景表示或者追踪粗糙探针，以及在两者之间插值照明。

在虚幻引擎中，全局光照和反射系统Lumen这一技术便是由Krzysztof Narkowicz和Daniel Wright一起创立的。

目标是构建一个与前人不同的方案，能够实现统一照明，以及类似烘烤一样的照明质量。

近期，在SIGGRAPH 2022上，Krzysztof Narkowicz和团队讲述了他们构建Lumen技术之旅。

软件光线追踪——高度场

当前的硬件光线追踪缺少强大的GPU算力支持。我们不知道硬件光线追踪速度有多快，甚至不知道新一代控制台是否支持它。

因此，软件光线追踪方法运用而出。事实证明，它确实是一个非常好用的工具，可以用于缩放或支持有大量重叠实例的场景。

软件光线追踪提供了一种可能性，那便是可以使用各种各样的追踪结构，比如三角形、距离场（distance fields）、面元（surfels），或者高度场（heightfields）。

在此，Krzysztof Narkowicz放弃了研究三角形，简要研究了面元，但是对于那些需要相当高密度才能表示的几何图形，对其进行更新或追踪面元是相当昂贵的。

经过初步探索，高度场是最合适的，因其能够很好地映射到硬件中，并提供表面表示和简单的连续 LOD。

因为我们可以使用所有的POM算法，比如最小-最大四叉树，因此它的追踪速度是非常快的。

此外，多个高度场可以表示复杂几何，类似于栅格化边界卷层次结构。

若将其视为面元的加速结构也非常有趣，一个单独的texel就是一个受限于常规网格的面元。

除了高度场，Lumen还有其他属性，如反照率或照明，这样就能够计算出每次的照明。

在Lumen中，开发者将这张带有表面数据的完整贴花式投影命名为卡（Cards），即捕获位置。

栅格化的三角形

Raymarched cards光线步进卡（高度场）

对于场景中的每一张卡来说，进行光线步进太慢。因此需要一种卡的加速结构，开发者选择了一个4节点的BVH。它是为一个完整的场景构建的，每一帧都在 CPU 上，并上传到 GPU。

然后在追踪着色器中，我们将进行基于堆栈的遍历，并对节点进行动态排序，以便首先遍历最接近的节点。

BVH 调试视图

捕获位置

这里最棘手的部分是如何放置高度场，以便捕捉整个网格。Krzysztof Narkowicz称，「其中一个想法是基于GPU的全局距离场。每一帧我们都会追踪一小组主射线来寻找没有被卡覆盖的射线。

接下来，对于每一个未发现的射线，我们将使用表面梯度遍历全局距离场，以确定一个最佳的卡方向和范围，从而产生一个新的卡。

全局距离场的捕获位置