Real Shading in Unreal Engine 4

UE4的PBR使用 Directional light BRDF + Imaga-based lighting

BRDF: Diffuse BRDF + Specular BRDF

Diffuse BRDF: 

使用了Lambert，因为在diffuse项上更复杂的模型和Lambert区别很小

Specular BRDF

使用的是通用的macrofacet model，关键在与每一项的选择上

D(h) : Specular distribution用了GGX（Trowbridge-Reitz）, GGX的优势：Fairly cheap + Longer tail(look more natural)

G(l, v, h)：Geometric shadowing，用了Schlick, Schlick优势：Matched to Smith, Cheaper but difference is minor, 需要注意的是这里roughness用了Disney’s roughness remapping, 

这里简单介绍一下roughness remapping,

reamapping可以在感知上在roughness上有更线性的变化，没有remapping那么在调节shiny材质时需要额外的参数调整

Fresnel:Schlick

Image-base lighting:

需要克服的问题：每个environment map只采样一次，但是要匹配importance-sampled的结果，公式表示如下：

UE4采用的解决方案：split the sum, 然后预计算分开的每个部分，split如下，

第一部分存储在pre-filtered environment map中，

第二部分存储在2D的LUT中

结果对比图如下：

另外UE4的Material model中使用了BaseColor + Metallic + Roughness + Cavity，并没有使用Specular信息(后来UE4中实际提供了一个specular paramters)。其中Cavity相当于非常小范围trace的AO，用来表示real-time shadow不能表示的小shadow。

Birian karis在https://www.unrealengine.com/en-US/blog/physically-based-shading-on-mobile 分享了UE4的pbr在mobile上的优化。

[GDC2017]GHOST RECON WILDLANDS TERRAIN TECHNOLOGY AND TOOLS

2017今年GDC上幽灵行动-荒野团队做了地形技术的分享，先看到视频，做的确实牛逼。

这一代的幽灵行动放弃了历代使用的YETI引擎（x86-DX9)，改用了刺客信条使用的ANVIL引擎（x64-DX11)。

幽灵行动-荒野的地形是育碧做过的最大的动作冒险类开放世界游戏，使用了32k*32k的超大heightmap，11种生态群落，140+种材质，16.369km^2的河流湖泊，839863颗树，3449638颗灌木，775288块石头，656.421km的道路等等。做到了超大的地图，以及丰富真实的细节表现。

这种超大地图如果让美术用笔刷一点点去刷，一张图下来美术肯定要刷吐了，所以他们团队做了一个半自动化的地形生成方式，让美术从繁琐的劳动中解放出来，只需要关注需要艺术创作的地方，他们的地形生成主要分成一下四步：

1. 用真实世界的地形数据在world machine中创建出基础的地形。
2. 在GPU上实现的超大范围笔刷（最大可以2km*2km），制作大的结构（山体结构等等）。
3. 在Houdini里产生的地表覆盖物（树木，河流，道路，定居点等等）。
4. 美术根据艺术创作的调整。

在地形材质生成方面，他们使用了一种特别帅气的过程式生成方式，即根据高度，坡度，噪音，曲率定义n组规则，每组规则代表一种材质，最后根据规则计算的结果得到最佳的地形材质分布，伪代码如下：

float blend = slopeBlend * heightBlend * flowBlend;

bestBlend *= 1.0f – blend;

if (bestBlend <= blend)

{

bestBlend = blend;

bestIndex = stackIndex;

}

在地形渲染方面，他们做了一个非常好的渲染策略，极大的提高了渲染效率。通常在地形渲染过程中，为了避免在坡度非常大的地方出现明显的贴图拉伸，需要在x，y方向上各进行一次采样，这样如果地形有四层材质，就总共需要8次采样。幽灵行动-荒野对地形做了分块处理黄色区域进行4次采样，绿色8次采样，红色12次采样（作为过渡地带要全采样），用这种方法以后，地形中80%的区域只需要进行4次采样。

另外这么丰富的地形材质，纹理读取是个不小的消耗，所以幽灵行动-荒野也使用了virtual texture，作为目前最常用的减少纹理读取的技术被很多游戏成功使用。

这么大的地形，地表覆盖物的生成也采用了半自动化的生成方式：

1. 根据地形的heightmap和splat map，计算得到Roughness map(用来指导放置岩石和植被），根据河流信息生成wetness map（用来指导放置植被，以及影响terrain specular），太阳信息做平均得到sunlight map（向光面比被光面植被密度大），另外还会用world machine生成water flow map（影响terrain splatting）。
2. 根据1中提到的6张图，自动化生成地表的岩石，道路，植被，村庄等等。

幽灵行动-荒野把超大地图的细节做的这么丰富的同时保持了良好的渲染效率，确实厉害，值得学习。

第一篇博文

最近读的文章越来越多，加上工作过程中经验的积累，越发觉得需要一个可以记录自己和分享自己所学的地方，一方面写出来可以督促自己对知识进行更深入的学习, 另外一方面也可以贯彻程序员世界的分享精神。