UE5 游戏物理灯光渲染与照片级灯光渲染思路笔记

TandyScc38 · 发表于 2023-3-25 12:51

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。[1]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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