热处理制氮机：乐器演奏影片聚焦各类乐器的独奏、合奏表演，旋律悠扬动听。沉浸在音乐的世界里，抛开杂念，享受纯粹的听觉盛宴。
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核心要点
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UF2025（Shanghai）——《命运扳机》大世界渲染技术深度解析：全局光照与阴影系统的工程实践
引言
在当今竞争激烈的游戏市场中,特别是二次元游戏领域,如何在保证高品质画面的同时实现多平台支持和稳定性能,是每个游戏引擎团队面临的核心挑战。《命运扳机》作为一款6km×6km的大世界日式卡通风格游戏,在全局光照(Global Illumination)和阴影渲染层面进行了深入的科技探索和工程实践。
本文将深入解析《命运扳机》项目中的渲染科技方案,重点介绍团队如何构建可伸缩的全局光照框架、实现高效的阴影压缩算法,还有在多平台环境下平衡性能与画质的工程经验。这些科技方案不仅适用于大世界游戏,对其他类型的实时渲染项目也具有关键的参考价值。
一、项目背景与技术挑战
1.1 项目特点
《命运扳机》项目具有以下几个显著特点:
大世界规模: 主地图达到6km×6km,这意味着需要处理大量的场景资源和光照数据。在这样的规模下,传统的实时全局光照方案往往难以满足性能要求。
日式卡通风格: 二次元游戏市场竞争激烈,玩家对画面品质的要求越来越高。一方面需要提高美术资产的品质,另一方面大世界游戏本身的资源量就很大,包体大小成为了技术上的关键限制指标。
室内外场景: 玩家可以在室内和户外自由切换战斗。全局光照对室内氛围营造至关关键,而阴影能够极大提高户外画面的层次感。因此,在高品质场景渲染中,全局光照和阴影都是不可或缺的部分。
1.2 技术约束
多平台支持: 作为一款目标多端互通的游戏,渲染方案需要在不同平台设备上落地。必须保证不同平台上的画面渲染基本一致,不能由于渲染差异而影响玩家的竞技公平性。
性能要求: 作为多人竞技游戏,游戏的流畅性与帧率的稳定性是重中之重。需要采用性能开销尽可能小的技术方案来保证游戏的高帧率运行。
1.3 技术选型思路
基于上述约束,团队针对光照和阴影都设计了一套可伸缩的框架。离线技术方案成为了首选项——将计算更重的任务放到运行前处理,让性能相对较弱的设备也能够进行流畅的对战。
二、全局光照系统架构
2.1 三层画质分级方案
团队设计了一套基于三种基础科技方案的可伸缩全局光照框架:
这三套方案在数据精度上有所差别。Lumen不需要多说,它是UE5自带的实时全局光照解决方案。而Probe方案是一种离线烘焙方案,它先将三维空间进行离散化,然后把光照信息预先存储起来,在运行时只须要经由采样并插值的方式就能够还原场景的GI。
在项目中,团队存储的是光照的辐射信息,用二阶球谐系数来存储。在运行时只需要简单的线性运算就能够还原GI效果。
2.2 五档画质配置
根据三套基础方案,结合不同画质的性能要求,团队对其中的一些特性开展可伸缩的配置,并根据不同硬件的算力水平,在不同平台上定制了整套的画质分级表现:
极致与超高画质: 都使用Lumen的情况下,超高使用了分辨率更低的Screening Probe去做辐射缓存。
高、中、低画质: 都是Probe GI方案。高画质和中画质都是在近距离使用Mip0级别的GI数据,远距离采用Mip1级别的资料。两个画质的主要区别是GI加载距离的长短——高画质能够显示更远距离的GI效果。
在低画质中,全部使用Mip1的GI,并使用简单遮蔽信息去做防漏光。
三、全局光照关键科技
3.1 防漏光技术
防漏光是Probe GI方案中的核心课题之一。由于Probe是离散分布的,当物体表面采样到墙后的Probe时,就会出现漏光现象。
3.1.1 Probe重定位(Relocation)
为了解决这个问题,团队使用了Probe Relocation技术。其核心思想是:
1. 检测Probe是否在物体内部: 从Probe位置向四面八方发射射线,如果射线方向与交点法线的夹角大于90度,说明Probe在Mesh外部;小于90度则说明在Mesh内部。
在复杂场景中,通过统计多条射线的结果,根据概率判断Probe是否在Mesh内部,是否须要进行Relocation。
2. 将Probe推向墙边: 对于在外部的Probe,经由发射射线找到距离最近的Mesh面,选择距离最近的相交点作为偏移后的Probe点。这样Probe记录的辐射信息就更接近表面本身的光照信息。
3.1.2 资料压缩
Relocation需要记录方向和距离两个信息,数据量较大。团队采用了数据压缩方案:
通过这种压缩方式,可以将Relocation数据控制在较小的存储开销内。
3.1.3 简单遮蔽信息
对于低画质,团队使用了更简化的方案——简单遮蔽信息。这是一种基于方向的遮蔽检测:
这种方法虽然精度较低,但性能开销很小,适合低端设备使用。
3.2 Final Gather技术
Final Gather是提升GI质量的重要技术。其核心思想是在最终着色阶段,不仅采样Probe数据,还要考虑场景几何对光照的影响。
3.2.1 基本原理
传统的Probe采样只考虑位置插值,Final Gather则在此基础上:
这样可以获得更准确的间接光照,特别是在几何细节丰富的区域。
3.2.2 多级Mip方案
为了优化性能,团队实现了多级Mip的Final Gather:
经由距离LOD切换,在保证近处质量的同时降低远处开销。
3.2.3 性能改进
Final Gather是一个计算密集的Pass,团队采用了多种改进手段:
降分辨率渲染: 使用1/2分辨率进行Final Gather计算,可以将性能提升约75%。
Checkerboard上采样: 由于输出的是低频信息,使用Checkerboard算法就可以获得不错的上采样结果。算法要点:
3.3 反射处理
对于反射性强的材质,如果直接采用天空光,室内的金属性物体会表现很差。团队的解决方案是:
基于反射方向的Probe采样: 根据反射方向计算函数粗糙度,去采样Probe GI的内容作为粗糙高光反射的结果。
粗糙度混合: 越粗糙的物体采用更多的Probe GI信息,越光滑的物体更多依赖屏幕空间反射(SSR)或反射探针。
这种方法可以在保持性能的与此同时,为室内金属物体提供合理的反射效果。
3.4 体积雾与半透明
体积雾和半透明物体的GI处理也是一个挑战:
体积雾: 在体积雾的每个采样点,采用Probe GI给出环境光照,使雾效可以正确响应场景光照变化。
半透明物体: 对于半透明材质,在着色时采样Probe GI,并根据透明度混合直接光照和间接光照。
这些处理确保了整个场景光照的一致性。
四、GI数据管理与流式加载
4.1 数据生产流程
GI数据的生产是一个复杂的离线过程:
4.1.1 Probe布置
首先需要在场景中布置Probe。团队采用了自适应布置策略:
4.1.2 光照烘焙
使用路径追踪算法计算每个Probe的辐射信息:
4.1.3 数据压缩
原始的球谐系数资料量很大,需要开展压缩:
最终将压缩后的资料打包到资源文件中。
4.2 运行时流式加载
在6km×6km的大世界中,不可能将所有GI数据都加载到内存。团队实现了一套高效的流式加载系统:
4.2.1 Brick结构
GI数据被组织成Brick结构:
4.2.2 GI Volume
围绕相机位置定义一个GI Volume:
4.2.3 层次化索引
为了高效访问Brick数据,使用层次化索引结构:
4.2.4 资源池管理
实际的GI数据存储在资源池中:
4.2.5 性能改进
为了避免某一帧上传资料量过大导致卡顿,使用分帧上传策略:
因为更新的Brick都在GI Volume边缘,这种改进是视觉无损的。
4.3 采样流程
在Shader中采样GI数据的流程:
整个流程在GPU上高效执行,运行时开销很小。
五、阴影系统技术方案
5.1 VSM算法原理
团队选择了Virtual Shadow Map(VSM)作为阴影解决方案。VSM的核心优势是:
5.1.1 Page-based结构
VSM采用基于Page的虚拟纹理结构:
5.1.2 Clipmap层级
对于方向光,采用Clipmap结构:
这种LOD策略可以在保证近处阴影质量的同时,支撑很远的阴影距离。
5.2 阴影数据压缩
虽然VSM已经大幅降低了内存占用,但在移动平台上仍然面临挑战。团队实现了一套阴影压缩方案,将包体中的阴影数据压缩到原来的1%以下。
5.2.1 ANH压缩算法
ANH(Adaptive N-ary Hierarchical)是一种基于四叉树的深度压缩算法:
基本思想: 如果一个区域的深度值相同或相近,就能够用一个节点表示整个区域,而不需要存储每个像素。
编码过程:
数据结构:
解码过程:
采样时根据UV坐标遍历四叉树,找到对应的叶子节点,返回深度值。
对于4K的Shadow Map,ANH可以压缩到约0.64%的大小,压缩率非常高。
5.2.2 HANH算法优化
HANH(Hierarchical Adaptive N-ary Hierarchical)是ANH的升级版,在ANH基础上加入了节点合并功能:
合并条件:
相对深度编码:
为了更容易满足合并条件,节点存储的不再是绝对深度,而是相对于父节点的相对深度。这样能够大幅增加可合并节点的数量,进一步提升压缩率。
5.3 离线处理流程
阴影数据的离线处理流程:
这种方案可以在保证阴影质量的同时,大幅降低包体大小。
5.4 运行时混
在运行时,需要混合静态阴影和动态阴影:
这种混合方案可以在保证性能的同时,支持动态物体的阴影。
六、性能分析与改进
6.1 性能数据
团队在多个平台上进行了性能测试:
PC平台(RTX 4070):
移动平台:
6.2 内存占用
GI资料:
阴影资料:
6.3 优化技巧总结
七、未来展望
团队在分享中也提到了一些未来的研究方向:
7.1 神经网络压缩
采用神经网络对GI数据进行压缩:
7.2 TOD支撑
实现Time of Day(TOD)的GI方案:
7.3 动态GI
为可破坏的动态物体添加动态GI效果:
八、工程经验总结
8.1 技术选型原则
8.2 开发流程建议
8.3 常见课题与解决方案
问题1: 漏光
解决方案: Probe Relocation + 简单遮蔽信息
问题2: 性能不足
解决方案: 降分辨率 + 时序复用 + LOD
问题3: 内存占用过大
解决方案: 数据压缩 + 流式加载 + 资源池管理
问题4: 包体过大
解决方案: HANH压缩算法
九、总结
《命运扳机》项目在全局光照和阴影渲染方面的技术实践,为大世界游戏的渲染科技提供了宝贵的经验。通过可伸缩的GI框架、高效的资料压缩算法、完善的流式加载系统,团队成功在保证画面品质的同时,实现了多平台支持和稳定的性能表现。
核心要点回顾:
这些技术方案不仅适用于《命运扳机》这样的大世界游戏,对其他类型的实时渲染项目也具有关键的参考价值。特别是在当前多平台、高品质、高性能的游戏开发需求下,如何平衡这三者的关系,是每个引擎团队都需要深入思考的课题。
随着硬件性能的提升和算法的进步,未来的渲染技术将会更加强大。神经网络压缩、动态GI、实时路径追踪等新技术的应用,将为游戏画面带来更大的提升空间。但无论技术如何发展,工程实践的核心原则——性能、质量、可维护性的平衡——始终不会改变。
希望本文的技术分享能够为从事游戏渲染开发的同行提供一些启发和协助。在实际项目中,需要根据具体情况灵活调整技术方案,没有一种方案是万能的,只有最适合项目需求的方案才是最好的方案。
参考资源:
致谢:
感谢萨罗斯网络科技的杨彬和黄兆铭两位工程师的精彩技术分享,为游戏渲染社区贡献了宝贵的工程经验。
本文由AI基于视频内容生成,如有技术细节须要进一步讨论,欢迎加入UE5技术交流群进行交流。
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