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Build Lightmap system
- 1. Lightmap 시스템 구축하기 Ntreev Soft 황재식
- 2. Agenda • Lightmap 관련 기술 소개 – Unwrapping 관련 기술 소개 – Radiosity 관련 기술 소개 • 실제 게임 적용 사례 소개
- 3. Lightmap이란? • 라이트 정보를 담고 있는 이미지 • Irradiance를 저장하 고 있기 때문에 Irradiance map이 더 정확한 표현.
- 4. Quake2
- 6. Why?
- 7. 패치(Patch) • Lighting 계산을 위한 최소 단위 • 각각의 Patch는 Lightmap의 1픽셀에 대응 • 패치가 많을수록 보다 정교한 계산 가능 – Lightmap 해상도가 커짐 – 계산 시간이 더 오래 걸림
- 9. 라이트맵 공정 Unwrapping Baking
- 10. 알고리즘 소개 Unwrapping Baking
- 11. Unwrapping • Segmentation • Mesh parameterization
- 12. Atlas, Chart • Atlas ≥ Chart Chart Atlas
- 13. 좋은 Unwrapping 조건 • 균일한 Patch 사이즈 • 왜곡이 적어야 한다. – 내각의 크기와 세 변의 길이 비율이 Unwrapping 된 후에도 비슷하게 보존될수록 왜곡이 적다라고 할 수 있다. Large Chart Low Distortion
- 14. 알고리즘 종류 • Iso-charts • LSCM • ABF++ • D-charts • MCGIM • 기타 등등
- 15. Iso-charts • 빠르고 효율적인 Chart 생성 • UVAtlas in DirectX9 – D3DXUVAtlasCreate, D3DXUVAtlasPartition, D3DXUVAtlasPack – uvatlas.exe • Halo3에서의 라이트맵에서도 사용됨.
- 16. Iso-charts 과정 • 서피스 분포 분석 • 스트레치 최적화 • 서피스의 분포를 고려해서 묶는다. • 차트의 경계를 최적화한다. • 스트레치 기준을 충족 시킬 때까지 차트를 재귀 적으로 계속 나눈다. • 패킹을 해서 Atlas로 만든다.
- 17. 알고리즘 소개 Unwrapping Baking
- 18. Baking • Radiosity 알고리즘을 이용, Lightmap의 각 각의 픽셀에 Irradiance를 계산해서 저장하는 과정. • 차례 – Radiosity 소개 – 용어 설명 – Radiosity 알고리즘 소개
- 19. Radiosity • Diffuse 머티리얼을 가지는 서피스와 광원, 혹은 두 Diffuse 서피스 사이의 빛의 상호 작용을 계산하는 방식. • Diffuse Material만 다루기 때문에 카메라에 독립적이다. • Direct Lighting과 Indirect Lighting 계산
- 20. Direct Lighting • 태양이나 전구 같이 직접 빛을 내어 물체를 비추는 광원에 대해서 계산을 하는 것 • 장면에 가장 밝은 빛을 제공하고 그림자를 생성 한다.
- 21. Indirect Lighting • 다른 오브젝트를 비추기 전에 이미 반사되거나 다른 표면에서 부딪혀서 나온 빛을 계산한다. • 장면의 구석구석을 밝히거나 공간을 채우는 빛을 만든다. • Color Bleeding 효과
- 22. 용어설명 • Flux • Solid Angle • Radiance • Irradiance • Radiosity • Form Factor • Monte Carlo Method • Russian Roulette
- 23. Flux • 단위 시간 동안 표면을 통과하는 총 에너지 량 • 단위 : J/s, W(watt) • 보통 Φ 표현 • 다른 말로 Radiant Power
- 24. 입체각(Solid Angle) • 단위 :steradian
- 25. Radiance • 단위 면적, 단위 Solid Angle에 대한 Flux 량 • L=d2Φ/(dwdAㅗ )= d2Φ /(dwdAcosΘ) dAㅗ dA
- 26. Irradiance • 표면의 단위 면적에 들어오는 Flux 량 전 방향으로 들어오는 모든 Radiance의 합 • 단위 : W/m2 • E = dΦ/dA (A:표면적)
- 27. Radiosity • 표면의 단위 면적에서 나가는 Flux 량 • 단위 : W/m2 • M = B = dΦ/dA (A:표면적)
- 28. Form Factor • 한 패치에서 발산된 에너지 중 다른 패치에 도달 한 에너지 비율
- 29. Form Factor Self-emitted reflectivity total radiosity radiosity Form factor
- 30. Monte Carlo Method • 통계 확률 이론에 기반을 둔 개념으로 난수를 발생 시켜 원하는 값의 확률적 분포나 수치를 구하는 방 법 • 예1) π 구하기 N = 전체 찍힌 점의 수 Nc = 부채꼴 안의 점의 수 A = 1(사각형 면적) Ac = π /4(부채꼴의 면적) Ac /A = π /4 =Nc /N Π = 4Nc/N
- 31. Monte Carlo Method 예2 • 광원에서 발사되는 Ray나 Photon의 발생 위치와 발사 방향을 랜덤하게 결정하는데 사용하거나 반사면에서 생존 여부를 가릴 때 사용한다.
- 32. Monte Carlo Estimator • Monte Carlo 방법을 이용해서 적분의 근사치 를 구할 수 있다. 적분 Estimator • 샘플링 개수(N)가 많을수록 실제 해에 가까워진 다.
- 33. Importance Sampling • Monte Carlo Estimator을 구할 때 표본을 실제 피적분 함수 모양에 가깝게 샘플링 하면 더 적은 수 의 샘플링으로 실제 해에 가까운 값을 얻을 수 있다. • 예1) 직접광에 의한 라이팅을 계산할 때 패치에서 광원 방향으로 더 많은 Ray를 생성한다. • 예2) 간접광에 의한 라이팅을 계산할 때 패치의 노 멀과 가까운 방향으로 더 많은 Ray을 생성한다.
- 34. Russian Roulette • Indirect Lighting 계산에서 Ray나 Photon 을 몇번이나 반사시킬지 정할 수 있어야 한다. – 반사 횟수로 제한 – Power가 일정 수치 이하로 내려갈 경우 소멸 • 위 두 가지 방식은 장면 내의 전체 에너지를 보존시켜주 지 못한다. – 매번 반사될 때마다 Russian Roulette 이용 • 에너지를 보존시켜준다.
- 35. Russian Roulette • q에 의해서 살아남은 샘플에 가중치가 부여되어서 총 에너지의 손실이 없는 결과를 얻을 수 있다. • q에 의해서 Ray나 Photon의 Bounce 횟수를 조 절할 수 있다.
- 36. Russian Roulette // Possibly terminate every light path if( nIntersections > 2 ) { float q = 0.5f; if( RandomFloat() > q ) break; irradiance /= q; } 어두운 씬에서는 반사가 적게 이뤄져도 되기 때문에 q를 크게 설정해서 반사가 적게 이뤄지도록 하고 밝은 씬에서는 q를 크게 셋팅해서 많은 수의 반사가 이뤄지도록 할 수 있다.
- 37. Radiosity 알고리즘 분류 - 1 Scene Monte Carlo Method Rendering Ray-tracing 방식 방식 Final Gathering Path-tracing 방식 Classic Stochastic Jacobi Radiosity Radiosity Irradiance Cache Photon mapping Instant Radiosity
- 38. Classic Radiosity • 모든 패치 사이의 Form Factor를 미리 구해줘야 한다. • 많은 저장 공간이 필요하고 시간이 오래 걸리기 때문에 비효율적 • n개의 패치가 있을 때 n2 * 0.5 번의 Form Factor 연산을 미리 해줘 야 한다. • 계산 도중 중간 결과를 보기 힘들다.
- 39. Monte Carlo Method • Form Factor를 미리 구할 필요가 없다. • Classic 방식에 비해서 더 적은 저장 공간과 짧 은 계산 시간으로 괜찮은 퀄리티의 결과물을 얻 을 수 있다. • 중간에 결과를 확인해 볼 수 있다.
- 40. Scene Rendering 방식 • 패치에서 노멀 방향으로 보이는 씬을 렌더링 한 다 음 렌더링 된 텍스쳐의 각각의 픽셀을 패치로 들어 오는 Radiance로 간주하고 Irradiance를 구하 는 방식. • Ray-tracing 같은 복잡한 알고리즘을 알 필요가 없고 별도로 Form Factor를 구하지 않아도 된다. • 모든 패치를 광원으로 간주한다.
- 41. Scene Rendering 방식 2 3 1 4 5 6
- 42. Scene Rendering 방식 7 8 9 10 11
- 43. Scene Rendering 방식 • Hemisphere map 대신 Hemicube map사용 Distance Map Lambert's Cosine Map
- 44. Radiosity 알고리즘 분류 - 2 Gathering Shooting 속도개선 Scene Rendering Stochastic Jacobi Radiosity Ray-tracing 방식 Irradiance Photon Mapping Cache Final Gathering Path-tracing 방식 Instant Radiosity
- 45. Shooting • 한 패치에서 발산된 에너지에 영향을 받는 다른 주변 패치의 에너지 상태를 업데이트 한다. • 계산 결과를 빨리 볼 수 있지만 작은 패치에 대해 서 노이즈 결함을 발생 시킨다.
- 46. Gathering • 한 패치에서 보이는 다른 패치로부터 발산되는 에너지를 모아서 패치의 에너지 상태를 업데이트 한다. • 노이즈 결함을 없애서 렌더링 퀄리티를 올리는데 사용될 수 있다.
- 47. Ray-traced 방식 Gathering Shooting 속도개선 Scene Rendering Stochastic Jacobi Radiosity Ray-tracing 방식 Irradiance Photon Mapping Cache Final Gathering Path-tracing 방식 Instant Radiosity
- 48. Ray-tracing 방식 • Direct Lighting – 각각의 패치에서 광원을 향해 Ray을 발사, 1차 Lighting 정보를 생성한다. – 그림자 생성 • Indirect Lighting – Final Gathering 단계, 패치 주변으로 Ray을 발사해서 Radiance 정보를 수집한다.
- 49. Direct Lighting 의사코드 directIllumination(x) estimateRadiance = 0; for all shadow rays { generate point y on light source estimateRadiance += Le(y, yx) * Reflectance * G(x,y) * V(x,y) / pdf(y); } extimateRadiance = estimateRadiance / #shadowRays; return(estimateRadiance) V(x,y) : 패치 x에서 패치 y가 보이는지 여부 G(x,y) =
- 50. Direct Lighting
- 51. Final Gathering Gathering Shooting 속도개선 Scene Rendering Stochastic Jacobi Radiosity Ray-traced 방식 Irradiance Photon Mapping Cache Final Gathering Path-tracing 방식 Instant Radiosity
- 52. Final Gathering • 이미 계산된 Radiosity를 Ray-tracing을 이용해서 더 정확하고 부드러운 결과를 만들어 냄. • Indirect Lighting계산하기 위해 사용되거나 Shooting, Photon mapping 계산 후 2pass에서 Rendering 퀄리티를 높이기 위해서 사용
- 53. Sampling • Hemisphere Sampling을 이용, 패치에서 반구 방향으로 무작위로 Ray 발사. • 충돌된 가장 가까운 지점의 Radiance을 가져온다. • Importance Sampling을 이용해서 패치의 노멀 방향에 가까운 방향의 Ray를 더 많이 발사하면 더 적은 연산으로 동일한 결과를 얻을 수 있다.
- 55. Path-tracing 방식 Gathering Shooting 속도개선 Scene Rendering Stochastic Jacobi Radiosity Ray-tracing 방식 Irradiance Photon Mapping Cache Final Gathering Path-tracing 방식 Instant Radiosity
- 56. Path-tracing 방식 • 실질적으로 반사가 수행하는 Ray는 하나만 생성하고 나머지 Ray는 주변의 Radiance를 수집하는 역할만 한다. • Ray-tracing 방식은 bounce될 때에도 여러 개의 반사Ray가 생성된다. • Path-tracing 방식은 Final Gathering을 수행 한 후 간접광을 빠르게 한번 더 계산할 때 주로 사용된다. 한 방향으로만 브랜칭 되기 때문에 Ray-Tracing 방식보다 속도는 빠르지만 최종 렌더링 퀄리티는 떨어진다.
- 57. Stochastic Jacobi Radiosity Gathering Shooting 속도개선 Scene Rendering Stochastic Jacobi Radiosity Ray-traced 방식 Irradiance Photon mapping Cache Final Gathering Path-tracing 방식 Instant Radiosity
- 58. Stochastic Jacobi Radiosity • 처음pass에서는 광원에서 Ray를 발사해서 주변 패치의 에너지 상태를 업데이트 시키고 이후 pass 에서는 각각의 패치에서 반사되는 빛을 고려해서 주변 패치의 에너지 상태를 업데이트 한다. • 패치와 광원사이의 Form Factor는 광원에서 발사된 전체 Ray수와 패치가 받은 Ray수의 비율로 나타낸다. Fij = Nij/Ni Ni는 패치i 에서 발사된 Ray 수, Nij는 패치 i에서 발사된 Ray중 패치 j에 도달한 Ray 수
- 59. Ray 생성 Local line – 1pass Global line – 2,3,4…pass
- 61. Irradiance Cache Gathering Shooting 속도개선 Scene Rendering Stochastic Jacobi Radiosity Ray-tracing 방식 Irradiance Photon Mapping Cache Final Gathering Path-tracing 방식 Instant Radiosity
- 62. Irradiance Cache • 인접한 패치의 Irradiance를 보간해서 Patch 의 Irradiance를 구한다. • Direct Lighting의 경우 패치사이의 Irradiance 변화량이 큰 곳이 많이 존재하지만 Indirect Lighting의 경우에는 상대적으로 인 접한 패치끼리의 변화량이 적은 곳이 대부분이기 때문에 이러한 보간 연산이 가능하다.
- 63. 가중치 부여 • 보간에 참여하는 각각의 패치에 가중치를 부여한다. • 거리가 작고 노멀 벡터의 내적과 주변 지오메트리와 거리가 클수록 높은 가중치를 갖게 된다.
- 64. 버림 조건 • 다음과 같은 조건을 갖는 인접한 패치는 무시된 다. – 노멀 벡터의 차이가 너무 크다. – 주어진 패치보다 앞에 존재한다. n n E(p,n) E(p,n) p p’ p p’
- 65. Irradiance 계산 - 1 • 패치 사이 변화가 큰 부분에서는 Irradiance를 직접 계산하고 계산된 값을 Octree 구조를 갖는 Irradiance Cache에 저장한다. http://www.rorydriscoll.com/2009/01/18/irradiance-caching-part-1/
- 66. Irradiance 계산 - 2 • 변화량이 작은 부분에서는 Irradiance Cach e를 이용, 주변의 패치를 검색 한 후 아래 식으로 Irradiance를 보간한다. 이 결과 역시 Cache 에 저장한다.
- 67. Photon Mapping Gathering Shooting 속도개선 Scene Rendering Stochastic Jacobi Radiosity Ray-tracing 방식 Irradiance Photon Mapping Cache Final Gathering Path-tracing 방식 Instant Radiosity
- 68. Photon Mapping • Two-Pass 알고리즘 – 1Pass • 광원에서 Photon 발산 • 서피스와 충돌, 반사 • 충돌된 Photon을 Photon map에 저장 • 패치 별로 주어진 반경 안에 있는 Photon을 검색해서 Irradia nce 계산(검색된 Photon의 Flux을 모두 더한 후 원의 면적 으로 나눠준다.) – 2Pass • Final Gathering • 적은 비용으로 Caustic 효과를 낼 수 있다.
- 69. Photon Mapping • Photon : Flux 운반체 • Photon map – 서피스와 부딪힌 지점의 Photon 정보 저장 – Balanced Kd-Tree – Global Photon Map(Direct, Indirect) – Caustic Photon Map
- 70. Photon State Machine Specular Caustic Nonspecular Specular Emission Direct Specular/ Caustic Nonspecular Nonspecular Indirect Specular/ Nonspecular
- 72. Instant Radiosity Gathering Shooting 속도개선 Scene Rendering Stochastic Jacobi Radiosity Ray-tracing 방식 Irradiance Photon mapping Cache Final Gathering Path-tracing 방식 Instant Radiosity
- 73. Instant Radiosity • Direct, Indirect Lighting을 Point 광원으로 표현한다. • Diffuse로 이뤄진 Scene에서만 가능하다. • GPU Rendering을 이용해서 구현 가능하다. (Keller’s Paper)
- 75. 개발 사례 • Unwrapping : UVAtlas • Baking : Beast
- 76. Unwrapping 차례 • UVAtlas 소개 • UVAtlas 에서 사용되는 주요인자 – Stretch – Gutter Width – IMT • Lightmap 압축 • Instancing
- 77. UVAtlas 소개 • DirectX에서 제공하는 Iso-charts 알고리즘을 이용한 UV Unwrapping API • 용도 – Normal/displacement mapping – Texture-space PRT simulations and light ma ps – Surface painting – Texture-space lighting
- 78. UVAtlas 주요 인자 • Stretch • Gutter Width • Integrated Metric Tensors(IMT)
- 79. Stretch - 1 • Chart를 어느 정도로 펼 것인가? • 0~1 사이 값. 0.16667이 기본값. 0 0.1 0.1667 이상
- 80. Stretch – 2 CSG맵은 Stretch가 0에 가까 일반 Mesh로 이루어진 맵은 울수록 결과가 좋았음 0.16정도 했을 때 괜찮았음.
- 81. Gutter Width • Chart 사이 너비 • Padding이라도고 함. • Multi Sampling시 인접한 Chart의 색을 침범하지 못하도록 하는 역할. 2 30
- 82. Integrated Metric Tensors - 1 • Texture-space에서 삼각형을 어떻게 펼 것인지 정의 • 픽셀의 색 변화량이 큰 부분에 더 많은 공간을 할당하는 것이 가능(Lightmap compression in halo3)
- 83. Integrated Metric Tensors - 2 • D3DX IMT 관련 함수를 이용해서 IMT 생성 – D3DXComputeIMTFromPerVertexSignal – D3DXComputeIMTFromPerTexelSignal – D3DXComputeIMTFromSignal – D3DXComputeIMTFromTexture • 유저가 임의로 생성한 IMT도 Chart를 생성할 때 사용 가능함.
- 84. Lightmap 압축 Lightmap compression in Halo3
- 85. Lightmap 압축 Lightmap compression in Halo3
- 86. Mesh와 Instance • Mesh는 Vertex, Face, Material 정보 • Instance는 Mesh ID와 Transform 정보를 가지고 있음. • 한 씬에 동일한 Mesh가 여러 개 존재할 때 Instance로 관리하면 자원을 효율적으로 관리 할 수 있음.
- 87. Instancing • 동일한 Mesh가 여러 개 존재 할 때 오직 한 Mesh에 대해서만 Chart를 만들고 다른 Instance는 이미 만들어진 Chart사용. • Instance는 Lightmap에서의 UV 시작위치만 저장.
- 88. Baking 차례 • Radiosity 미들웨어 소개 • Beast 소개 • 렌더링 샘플 • 퀄리티를 높이기 위한 팁 • 동영상
- 89. Radiosity 미들웨어 • Beast • Lightsprint • Enlighten • 기타 등등
- 90. Beast 소개 • Baking 전용 미들웨어 • Illuminate Labs에서 개발 • 대표작 : Mirror’s Edge • Montel Carlo 방식에 기반한 렌더러 – Final Gathering, Path tracing, Photon mapping, Irradiance Cache 등을 지원
- 91. Direct Lighting
- 93. Soft Shadow
- 94. Color Bleeding
- 95. 퀄리티를 높이기 위한 간단한 팁 • 라이트맵 바탕색을 전체 계산된 라이트맵 차트의 색과 비슷하게 하라. • 계산이 끝난 후에 차트의 Edge를 1~2픽셀 정도 바깥으로 늘려라.
- 97. 참고자료 • Advanced Global Illumination • Physically Based Rendering • Light map compression in halo3
- 98. Q&A 이메일 주소 : youcu81@gmail.com 블로그 : emptymind.tistory.com