游戏中的Irradiance Volume

小历史
今年（2016）siggraph上面，treyarch介绍了其类irradiance volume的全局光照技术。
不禁让我有点小感叹，这个技术还真是经久不衰，刚好是整整十年前的siggraph06上面，value介绍了其用于half-life2的source engine中的irradiance vlume。

（来！偶像出马！）
巧合的是，两个引擎source engine和cod系列的InfinityWard Engine（用于多个studio，infinity ward, sledge hammer, treyarch，或许后面有各自重写了吧）都脱身于大神卡马克的id系的GameEngine。
这个blog上面前前后后也记录了很多了，half life2, killzone, farcry3, battle field, 大量的早期cg。。。
这项技术的核心理念一直传承，但是实现细节到pipeline则一直变化。

干嘛的？
先进的游戏中的全局光照主要这三个：

lightmap(UnityEngine, UnrealEngine, bungie各游戏，naughty dog各游戏。。。）
irradiance volume（cod，farcry3(变种)等）
light propagation volume(CryEngine, UnrealEngine, JustCause等)
voxel con tracing(昙花一现，秀了一把之后回炉继续修炼去了）

Irradiance Volume是一个尤其自身优势的全局光照技术。

具体做法
它是一种离散的描述空间中光照信息的方案。

这是irradiance volume的一个debug visualization视图，其中大家可以看到，场景中以一定间距，放置了很多小盒子，这些小盒子仔细看的话，有明有暗，记录其所在位置的光照信息。
这些光照信息可以用来照亮场景，可以是静态的物件也可以是角色，进而带来很不错的全局光照（间接光照）的效果。
到今天的irradiance volume系的技术（包括大量变种），相对于我们大家熟知lightmap，可以有这样的优势：
- 可以非常快速的cook出来，在编辑器中达到近乎实时的速度
- PrecomputedRadianceTransfer版本，可以支持光照环境的变化（time of day等等）
- 支持角色的间接光照，当角色走进一面红色的墙壁的时候，身上可以泛出性感的微微红色的光
其核心思路包括：
- 空间分割–把空间分成规则的有限份，好以少量的数据表达出世界的样子
- 光照信息记录–记录每个空间分割中光照是什么样子的
- relighting–向场景中打光

空间分割
从早期的BSP到现在的voxel,空间分割在3D游戏中可以说是随处可见的东东了.
irradiance volume一般就是以一定的大小（比如2m的立方体）来把场景分割开，每一个小立方体中去记录光照信息（一般我们管这个收集光照信息的叫probe）。
这部分一般都在editor里去做，一般我们会探讨两个问题：
- 分割的太细，probe太多，烘培速度太慢怎么办
- 分割的不够细，产生漏光怎么办（一个cube穿墙了，导致另外一个暗屋子被照亮了）
两个做不好的话，就会导致实用性大幅度下降。
解决办法：
- editor会自动的，尽可能少的，在需要的地方，放置probe
- —比如farcry3是使用以一定间隔的ray向下trace，有静态物件就在这个表面生成probe
- 提供人为干预机制
- —美术可以自行添加删除和定制probe的产生方式，漏光了？那就使用不漏光的volume形状或者删掉相关的probe

- —-比如cod中，就提供了花样繁多的形状定制

光照信息收集
这里的光照信息收集，一般会探讨这几个问题：

收集什么样的光照信息
如何去存储，尤其是考虑到硬件的情况
信息收集的速度

光照信息
Irradiance
irradiance volume，那么这个光照信息当然就是irradiance了，具体的名词解释可以在

娜姐（Natalya Tatarchuk）的Irradiance Volumes for Games
细看，公式代码都全。

实际中cod的做法比较有代表性，就是在一个probe这里，做raytracing，收集光线的强度。

Radiance Transfer
另外一种方式是不是记录直接的光照结果，而是记录radiance transfer, 这是farcry3在几年前的做法，个人非常的喜欢，觉得比今年的cod的要更好。

radiance transfer可以理解为非常接近光照结果的东东了，只要加上周围光照，只需要很少的计算就能得到最后的光照结果，但是它有一个很大的优势，就可以可以支持周围光源的变化，也就是意味着可以支持time of day。

如何去存储
正常来讲，这里存储是指存用于照亮场景的irraidance信息了（即便是radiance transfer版本，也是要先算出irradiance，然后再用于relighting）

rgb颜色（6个方向的ambient颜色，一般叫ambient cube）或者Spherical Harmonics系数，两者起的作用差不多。放到3d texture中，利用linear filter去高效的插值
- 但是实际游戏中（black rock, treyarch…），ambient cube使用的更加广泛些，black rock曾经做过这个比较，ambient cube介于1阶sh和2阶sh之间，表达力上并不弱，同时却更直接。

信息收集的速度
其实就是bake的速度，这里直接决定了pipeline的效率，lightmap最让人头痛的地方也是这个迭代效率，美术改一个参数，2个小时后才能看到效果。
这里一种方法是每个probe哪里去傻算，直接capture cube map，然后downsample，或者raytracing都可以，不过这个都会导致太慢。
cod这里就比较好了。

它是借用了reproject cube的概念，这本来是做反射时候常用的一个做法，就是在一个场景里capture一个cubemap同时带着光照和深度，然后反射的时候，根据深度来取最准确的颜色，这样保证parallax correct。

这样可以想象，两套连击：

更少的probe，少量的reproject cube就可以记录一个场景中大致的光照信息，然后应用于大量的irradiance volume的probe，
可cache信息：且其中一些tracing的位置信息可以cache
最后在好的电脑上，可以达到几秒钟就cook完（对比lightmap的几小时。。。）

向场景中打光

这里有两步：

如果有radiance transfer在，就要先根据光照环境生成irradiance，否则的话就是针对离线cook好的信息直接使用
relighting：
- deferred renderer，就直接把光照信息放在3d texture中，根据G-Buffer来直接lighting就好
- forward renderer，一般是早期的做法，现在则是手游中可以考虑，就是在cpu端把对应物件周围的irradiance信息抽取出来，针对这个物体（比如一个玩家），作为一个ambient lighting，以几个shader constant的方式传到shader中去计算

reference

The Irradiance Volume
Irradiance Volumes for Games
Shading in Valve’s Source Engine
DeferredRadianceTransfer
Volumetric Global Illumination At Treyarch
Siggraph2009_BlackRock

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