UE5 游戏物理灯光渲染与照片级灯光渲染思路笔记
物理光照前言：物理真实渲染：物理灯光 物理材质 物理相机三个组成，对于物理灯光在UE火车站面世之前，我还没有真正去研究物理灯光，想使用现实中拍照来计算光照强度，曝光值来计算引擎中接近于真实的光照,使用真实的相机成像思路来还原真实的光感，并量化灯光参数，让灯光设计更有 依据，不同时段，不同季节，不同场景，不同天气都有对应的物理灯光模板。
游戏物理灯光渲染
为什么要使用物理灯光呢？
[*]一个真实写实的场景，想使用现实中拍照来计算光照强度 曝光值来计算引擎中接近于真实的光照,使用真实的相机成像思路来还原真实的光感，并量化灯光参数，让灯光设计更有依据，不同时段，不同季节，不同场景，不同天气都有对应的物理灯光模板
PBR物理渲染
[*]在游戏引擎渲染框架中寒霜引擎在SIGGRAPH 2014 PBR的基础构架中，寒霜引擎怎么转向基于物理的渲染，提出了组成PBR的三个部分：Materials，Lighting，Camera。光照占据了1/3的因素，在寒霜引擎图程的博客中也阐述了物理光照对于整个PBR架构的重要性。
[*]在PBR渲染中材料需要定义常见的物理材料来指定标准，定义物理世界中常见的物理材料
[*]在PBR渲染中物理相机需要定义去减少很多的变量，参考摄影中相机设置来优化相机参数和控制
[*]在PBR渲染中物理灯光需要参考物理世界灯光来量化参数，让每一个参数变量都是具有依据，让艺术家每个环境灯光都有正确的比例
物理灯光基础含义
[*]光强：每单位立体角在给定方向上由光源发射的发光功率或可见光的量
[*]光通量：灯每秒在所有方向上发出的光量
[*]光照度：流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度，接收面上一平方表面的光照强度，指的是光到达这个表面时候的强度。
[*]亮度：单位光源面积在法线方向 上，单位立体角内所发出的光流；接收面上一平方表面的光反射的强度，指的是物体反射出来的强度。（引用说明：感谢日天大佬的图）
光影摄影大师
[*]哈苏官方摄影大师：Ali Rajabi（“在明与暗之间，存在着不可置否的博弈，我在这其中探索平衡、静默、孤独和希望。”）
[*]哈苏官方摄影大师：Maria Svarbova（一个清新脱俗的世界：柔和的色彩和过曝的色调）
上述两位哈苏摄影大师的摄影作品，画面从相机厂商设定来说是相对过曝和过暗，所以物理是相对物理而言
相机基础知识充电站：
相机的成像三要素：
相机三要素知识点：
这三个要素分别控制成像中的一部分，严格来说每个要素控制一个一个影响成像的条件， 光圈控制进光量，从而控制照片的景深关系，快门速度有时候也可以是曝光时间，控制有 照片移动，感光度控制噪点和提亮画面的。
光圈大小影响因素：进光量
光圈大小影响因素：景深
快门（曝光时间）影响因素：进光量
快门（曝光时间）影响因素：物体形态
ISO（感光度）影响因素：曝光
ISO（感光度）影响因素：质感
曝光补偿相关知识：
在摄影中，曝光值( EV ) 是表示相机快门速度和 f 值组合的数字，因此产生相同曝光的所有组合 都具有相同的 EV（对于任何固定的场景亮度）
曝光值是由 ( Ray 2000, 318 ) 定义的以 2 为底的对数刻度：
[*]N是光圈值
[*]t 是以秒为单位的曝光时间（“快门速度”)
物理摄影中EV 与光圈 曝光时间的关系
EV 与照明条件的关系
当 f 值和曝光时间与给定照明条件和 ISO 速度的“推荐”值相匹配时，获得“正确”曝光；该关系由 ISO 2720:1974 规定的曝光方程式给出：
[*]N是相对孔径（f 数）
[*]t 是以秒为单位的曝光时间（“快门速度”）
[*]L是平均场景亮度
[*]S为 ISO 算术感光度
[*]K 是反射光计校准常数
光圈大小与曝光时间对应“正确”的查找表：
EV 与 EV100 的关系
EV 的概念上面也提到了，是曝光值的缩写，那 EV100 是什么呢，EV100 简单来理解就是在固 定 ISO100 的基础上用来计算光圈和曝光时间的 EV 值（这个是由于摄影初期使用胶片来拍 照，单胶片的感光度是不一致的，所以固定 iso100 的胶片来做 EV 值的规律） 各种条件下的曝光值（ISO100）
ISO 与 EV 的关系
ISO 与 EV 是什么关系呢，这个在拍照中法线 ISO 增大照片也在变亮，这是因为 ISO 增加一 级，EV 值也会增加一档，降低反之，那问题就来了，ISO400 比 ISO100 高出多少档？这里我 们也使用更是来计算：
计算 ISO400 提升了多少个 EV，我们把数字带入公式中
我们这里需要计算的是 ISO400 比 ISO100 高出多少档 EV，那 EV100 的值具体是指什么呢？ 这里分成两种情况，假设是自己拍照的话根据 EV 值公式计算得来，或者查表得来，或者参考相近环境提供的表得来。
阳光 16 法则
在摄影中，晴天 16 法则（也称为晴天 f /16 法则）是一种无需测光表即可估算正确日光曝光 的方法。 这里有复杂根据焦距 孔径来计算光圈数，f 是焦距 D 是入射光瞳的直径（有效孔径）。通常在 f 数前写上“ f /”，它构成了入瞳直径的数学表达式 f 和 N。例如，如果镜头的焦距为 10 毫 米，入射光瞳直径为 5 毫米，则光圈值将为 2。 但是这里我们不用去纠结计算里面的公式，我们只用知道摄影中晴天的最大 EV 值是 16
曝光补偿的基础知识
当前的相机都允许曝光补偿，并且通常以 EV 表示（Ray 2000、316）。在这种情况下，EV 指的是 指示曝光和设定曝光之间的差异。 曝光补偿的感觉与 EV 标尺本身的感觉相反。曝光量的增加对应于 EV 的减少，因此 +1 EV 的曝光补偿会导致更小的 EV；相反，-1 EV 的曝光补偿会导致更大的 EV。例如，如果比正常对象更 亮的仪表读数指示 EV 16，并且应用 +1 EV 的曝光补偿以适当渲染对象，则最终相机设置将对应于 EV 15。
EV 不是亮度或照度的量度；相反，EV 对应于具有给定 ISO 速度的相机将使用指示的 EV 获得标称正确曝光的亮度（或照度）
Exposure value vs. luminance (ISO 100, K = 12.5) and illuminance (ISO 100, C = 250)Physics World Lighting
还原光照思路
有照片
[*]在拍完照片后的是携带照片大量信息的，在照片中光圈曝光时间 ISO 分别贡献了多 少光亮，简单来理解就是三者分分别为照片贡献了多少个 EV，照片拍摄者拍摄的并不 一定是正确的曝光，曝光补偿不一定是 0，有可能出现了过曝，过暗等情况，
[*]需要计算出拍照的时候总的是多少个 EV，并使用 UE5 的曝光公式来计算拍照时候光 照强度是多少，色温是多少，天气是什么，室内或是室外，并参照正确的曝光表来在引擎中设置曝光区间，使用曲线来控制曝光快慢。
[*]照片 EV = 光圈 EV + 曝光时间 EV + ISOEV
无照片
[*]在无照片的情况下直接使用 ISO100 下测试的 EV 值来调整就好了
测光仪
[*]后续添加
分析照片信息
[*]照片信息中有明确的光圈信息 曝光时间信息 ISO 信息 曝光补偿信息 分析上述照片信息，我知道光圈：3.5 曝光时间：1/1000 ISO：2500 曝光补偿： 0.3
计算照片光照
[*]优先计算光圈和曝光时间的 EV 值：EV = log2 光圈值的平方除以曝光时间。然后计算得到 EV = 13.58(取小数点后两位) 计算 ISO 贡献了多少个 EV，log2ISO 的值除以 100，然后计算得到 EV = 4.64(取小数点后两位)
[*]最后在照片中曝光补偿增加了 0.3 个补偿
[*]最后得出 EV = 13.58 + 4.64 + 0.3 = 18.52(由此也得出该照片过曝了)
计算需要的光照信息
上面根据照片计算得出 EV = 18.52，把 EV 值放到转换公式列表中，计算得到光照强度值：1180334由于查表得到 ISO100 时，超出“正确”EV=13.58 值，超出了 EV=4.94 个值，得到 Unreal Engine Post EVMin：-4.94 EVMax：14（阳光 16 法则）
Unreal Engine物理光照
照度与 EV 转换公式
上述是 UE5 中用来计算 EV 和照度之间的公式，这个我们只用知道转换使用就好了，可以创建一个表格来计算照度和EV值
Unity光照开尔文色温表
色温表现参考图
Unreal Engine人工光源EV和照度参考值
[*]UE5 灯光类型及单位，在 UE5 中不同类型的灯光单位是不一样的，单每种灯源类型都可以 换算
[*]计算光照度公式：Lux=Lumens/m²=cd*sr/m² 例如：1cd 在 1m 距离为 1Lux， 2m 处为 1/4Lux，3m 处为 1/9Lux。
[*]常见的人造光源照度参考：
[*]常见场景照度参考：
灯光 EV 合理映射问题
为什么要把 EV 映射：
在现实物理世界中 EV 的值很大，很多 EV 区间都超出了人眼的范围，所以照相机硬件厂商规定了合理的 EV 区间（-6EV --- 21EV），在摄影中为了更好的照片画面呈现，摄影协会中整理 了常见场景中摄影画面的 EV 区间（-6EV --- 16EV）,但是就算已经缩小了这个 EV 区间在游戏 引擎画面中并不需要这么大的区间，对于游戏画面还是有过曝过暗的现象，为了保证游戏画面 完美呈现，同时兼顾显示器亮度参差不齐需要再一次合理规划适合游戏画面的 EV 区间。
环境 Lighting EV&照度：
环境EV 补偿思路：
环境EV 在物理灯光下取值（-5EV -- 9EV）的照度区间（0.1Lux ---1600Lux),在 PostProcessVolume 属性中 EV100 的区间在 ES 选定的区间内，去过区间不够使用曲线来来 增加灯光补偿，例如：照片信息算出来依旧是 14EV，那我 Post 区间和 DirectonalLighting都是最大的 9EV，那我就需要在曲线中增加 5EV 的补偿。
环境EV 补偿计算公式：画面 EV = 区间 EV + 曲线 EV + 自动补偿 EV（一般定义为 0）
计算示例：14EV = 9EV + 5EV(曲线补偿) + 0EV(自动补偿) DirectonalLighting：1600Lux
引擎中数值设置
DirectonalLighting
[*]EV = 13.58 + 4.64 + 0.3 = 18.52使用EV转照度公式：在表格中插入计算函数，最后得到1180334.681，但是这个值远远超出了物理灯管参考值，合理映射后得到1600的照度，然后在Post中增加9EV。
Sky Lighting
[*]直接使用物理大气组件，那么SkyLight只用1的强度，采集平行光照即可
PostProcessVolume
[*]PostProcess Volume需要在物理灯光中确定Min EV100和Max EV100，并在曝光曲线中控制EV的变化曲线
[*]Exposure Compensation Curve中更能精确准确的控制曝光变化（没有复杂的人工光源影响下）
场景验证结果
照片与引擎无光环境对比
照片与引擎光照环境对比
参考链接：
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