UE4のライティング解体新書～効果的なNPRのためにライティングの仕組みを理解しよう～
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講演動画：https://www.youtube.com/watch?v=ta5D8nsfHI8 2018年10月14日に行われた「UNREAL FEST EAST 2018」におけるソレイユ株式会社様と Winter Crown Works様の講演で使用されたスライドです。 ●公式サイト https://unrealengine.jp/unrealfest/ ＝＝＝ 知っているようで知らないUE4内部のライティングの仕組みを解説。NPRだからこそライトの理解は大事。フォワードとディファードの違いも掘り下げます。
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UE4のライティング解体新書～効果的なNPRのためにライティングの仕組みを理解しよう～
- 1. #ue4fest#ue4fest UE4のライティング解体新書 ～効果的なNPRのためにライティングの仕組みを理解しよう～ 田中達大（ソレイユ株式会社） 梶井祐（Winter Crown Works)
- 3. #ue4fest#ue4fest • 田中達大 ソレイユ株式会社 シニアソフトウェアエンジニア 業界歴３０年近く。ここ７年ほどはUnreal Engineと付き合っ てます。自社、他社のUE4タイトルを複数受け持ち、CGを中心 に技術全般を担当してます。 自己紹介
- 6. #ue4fest#ue4fest • 数式とか難しい話はそんなにしません。 • 写真撮影OKですが、シャッター音がしないアプリを使いまし ょう。 • スライドはすぐに公開するので、撮影しなくて大丈夫です。 はじめに
- 7. #ue4fest#ue4fest • 前提条件 • ライトの種類 • 直接光と間接光 • 平行光源と点光源（面光源は扱わない） • 環境光（スカイライト） • レンダリングの種類 • ディファードレンダリング • フォワードレンダリング • ディファードとフォワードのパフォーマンス比較 アジェンダ（１／２）
- 10. #ue4fest#ue4fest ライティングとはライトを当てることです（当たり前） • UE4におけるライティングは、シーンに置かれたメッシュな どにシーンに置かれたライトの影響を計算して、最終的に色 を出力することです。 • 概ね物理法則に従っているが、省略や近似も多い。 • このセッションでは間接光はUnreal Lightmassを扱います。 LPVなどの他のライティングシステムには言及しません。 • AreaLightに関しても話が複雑になるので、無いものとして語 ります。 ライティングとは
- 12. #ue4fest#ue4fest • UE4で扱うライトには大きく分けて、直接光と間接光があり ます。 • 直接光は物体に直接あたってるライト、間接光は他の物体に あたって反射した結果のライト。 • 直接光は描画時にライティング計算されますが、間接光は Lightmassで事前計算され、ライトマップやボリュームテクス チャに格納されたものを描画時に利用して計算されます。 直接光と間接光
- 16. #ue4fest#ue4fest • ライトのタイプがMovableかStationaryのライト • レンダリングパス内で各ライトから計算される。 • 基本的な構成は１つのStationaryなDirectional Lightと、必要に 応じてMovableかStationaryなPoint LightやSpot Light。 • 要するに、太陽光とシーンに配置された点光源というのがス タンダードな構成。 UE4の直接光
- 17. #ue4fest#ue4fest • あらゆるStaticなライト（Skylightも） • リアルタイムには計算されず、ライトビルド時に計算されて、 ライトマップテクスチャに書き込まれる。 • 静的オブジェクトは、そのオブジェクトに対してライトマッ プが生成される。 • 動的オブジェクトは、ライトビルド時に生成されたVolumetric Lightmapを元に間接光が計算される。 （以前はIndirect Light Cacheをもとに計算されていた） UE4の間接光
- 18. #ue4fest#ue4fest • 平行光源は方向だけを持ち、範囲を持たない。 • が、4.20からはDynamicな平行光源が範囲を持つカプセルと して計算されるようになった。 • 点光源は特定の座標から広がり、距離によって減衰するライ ト。全方向に広がるのがPoint Light、特定の方向に広がるのが Spot Light。 • 4.20でArea Lightも実装されたが、複雑なので割愛。 平行光源と点光源
- 19. #ue4fest#ue4fest • UE4では主にSkylight。 • 実際にはシーンをキャプチャしたキューブマップによるライ ティングが行われる。上からの空の色と下からの地面の色で ぼんやり照らすイメージ。 • StaticなSkylightの影響は間接光として焼き込まれる。 環境光
- 21. #ue4fest#ue4fest • ライト、カメラの方向に応じたシェーディング • 動的な影、動いている物体のセルフシャドウ • スペキュラの生成 動くものを正しく描画するには動的なライトが必要です。 静的なライトだけでは物体やカメラが移動してもシェーディ ングに変化がありません。 動的なライトにしかできないこと
- 22. #ue4fest#ue4fest • できるだけStationaryにしましょう。 • Point Light、Spot Lightは範囲を狭く、ライトどうしの範囲が 重ならないように。 • 不要ならCast Shadowを切る。ライティングよりも影の生成 の方が重い。 影についてはStationary Lightの方が軽いと一概には言えない ので、スミオさんのブログを参考にしてください。 Stationary Lightの影について 動的なライトを軽くするには
- 23. #ue4fest#ue4fest 違いがわかりやすいように、スペキ ュラを設定しました。左が間接光あり、 右が間接光無しです。 Directional Light以外は取り除いてあ ります。 Stationary Directional Lightについてもう少し
- 24. #ue4fest#ue4fest Directional Lightを無効にしました。 地面からの反射光で左側がうっすら照 らされています。リフレクションは出 てますが、これはスクリーンスペース リフレクションです。 Stationary Directional Lightについてもう少し
- 26. #ue4fest#ue4fest Directional LightをStaticに変更して ライトビルドをかけます。この状態で は太陽光に相当するDirectional Lightも 間接光として扱われています。 一見、ライティングされているよう に見えますが、スペキュラがなくなっ ています。 光源と視点から計算されるスペキュ ラは光源が無いと描画のしようがあり ません。 Stationary Directional Lightについてもう少し
- 27. #ue4fest#ue4fest Directional Lightに限らず、Point LightもStationaryやMovableならスペキ ュラが生まれます。 Staticなライトは種類にかかわらずス ペキュラを生成しません。 Stationary Point Lightについても
- 28. #ue4fest#ue4fest • StationaryやMovableなDirectional Lightは必ずシーンにひとつ だけ配置してください。複数配置すると不具合の原因になる ことがあります。 • Directional Lightは範囲が無いのでシーン全体に影響します。 Directional Lightについて注意
- 31. #ue4fest#ue4fest • 解説しようと思いましたが、篠山さんが詳しくまとめてくれ てるので、こちらをどうぞ。 Lightmass Deep Dive 2018 Vol.1: Lightmass内部アルゴリズム概 要(Lightmap編) Unreal Lightmass
- 32. #ue4fest#ue4fest 要点だけ。 • Staticなライト、Static Meshは配置しただけでは静的なライテ ィングがされません。必ずライトビルドしましょう。 • 特にパフォーマンスを見る場合は必ずライトビルドが必要。 • この表示が出ている状態はライトビルドされてません。 1 unbuilt objects、１つだけでもパフォーマンス全体に大きな 影響を与えることがあります。必ずビルドしましょう。 Unreal Lightmass
- 36. #ue4fest#ue4fest • BaseColor • Roughness • Specular • SubSurfaceColor • Metallic • WorldNormal • SceneDepth • LightingModel GBUFFERの主な出力
- 42. #ue4fest#ue4fest 描画パス一覧 1 描画パス名 GPUParticles_PreRender HZB PrePass DDM_AllOpaque BeginRenderingGBuffer ResolveSceneDepthTexture BasePass ComputeLightGrid ResolveSceneDepthTexture BeginOcclusionTests GPUParticles_PostRenderOpaque HZB SetupMip 0 RenderVelocity HZB SetupMip Mip 1 LightCompositionTasks_PrLighting
- 43. #ue4fest#ue4fest 描画パス一覧 2 描画パス名 Translucency PostProcessEyeAdaptation Distortion Downsample ResolveSceneColor PostProcessWeightedSampleSum BokehDOFRecombine PostProcessCombineLUTs VelocityFlattenCS Tonemapper VelocityGatherCS PostProcessFXAA MotionBlur SlateUI
- 49. #ue4fest#ue4fest 描画パス一覧 描画パス名 GPUParticles_PreRender HZB PrePass DDM_AllOpaque ShadowDepth ResolveSceneDepthTexture BeginRenderingGBuffer ComputeLightGrid BasePass BeginOcclusionTests ResolveSceneDepthTexture HZB SetupMip 0 1024x1024 GPUParticles_PostRenderOpaque HZB SetupMips Mips:1 512x512 RenderVelocity
- 50. #ue4fest#ue4fest 描画パス一覧 2 描画パス ResolveSceneDepthTexture ScreenSpaceReflections GPUPArticles_PostRenderOpaque TAA ScreenSpaceReflections LightCompositionTasks_PreLighting ReflectionEnvironmentAndSky ClearTranslucentVolumeLighting BeginRenderingSceneColor Lights ExponentialHeightFog InjectAmbineCubemapTranslucenctVolumeLighting Translucency FilterTranslucentVolume Distortion
- 51. #ue4fest#ue4fest 描画パス一覧 3 描画パス PostProcessEyeAdaptation MotionBlur SlateUI PostProcessWeightedSampleSum Downsample PostProcessCombineLUTs PostProcessWeightedSampleSum Tonemapper BokehDOFRecombine VelocityFlattenCS VelocityGatherCS
- 53. #ue4fest#ue4fest Deferred Renderingのみのパス 描画パス名 LightCompositionTasks_PreLighting ClearTranslucentVolumeLighting Lights InjectAmbientCubemapTranslucentVolumeLighting FilterTranslucentVolume ScreenSpaceReflections ExponentHeightFog TAA ScreenSpaceReflections ReflectionEnvironmentAndSky
- 60. #ue4fest#ue4fest • 画面内の情報をGBufferから読み取りながらスクリーン内を Lightingする。 影の生成、影のcomposit、Shading等も行う。 Lights
- 76. #ue4fest#ue4fest Deferred Rendering追加パス おさらい 描画パス名 LightCompositionTasks_PreLighting ClearTranslucentVolumeLighting Lights InjectAmbientCubemapTranslucentVolumeLighting FilterTranslucentVolume ScreenSpaceReflections ExponentHeightFog TAA ScreenSpaceReflections ReflectionEnvironmentAndSky
- 77. #ue4fest#ue4fest それぞれの負荷 描画パス名 LightCompositionTasks_PreLighting 2.074ms ClearTranslucentVolumeLighting 0.009ms Lights 3.021ms(ただしBasePassから切り離されたLight 処理なので、この分はBasePassが軽くなってる。) InjectAmbientCubemapTranslucentVolumeLighting 0.009ms FilterTranslucentVolume 0.017ms ScreenSpaceReflections 1.697ms ExponentHeightFog 0.097ms TAA ScreenSpaceReflections 0.321ms ReflectionEnvironmentAndSky 1.08ms
- 78. #ue4fest#ue4fest • LightCompositionTasks_PreLighting = 2.074ms • ScreenSpaceReflection = 1.697ms • TAA ScreenSpaceReflections = 0.321ms この辺りに関しては元々ForwardRenderingでは処理できない 部分なので、オミットしてもForwardと見た目は合うはず。 速度的にはこれで4ms程。 機能をある程度Forwardに準拠させれば特別なイニシアチブは なさそう。 Forwardに合わせる形で機能をオミット
- 87. #ue4fest#ue4fest • Pix = Micro Softが提供しているProfiler • RenderDoc = 現在UE4標準のProfiler、オープンソースでプラ グインが用意されている。 • Interl Graphics PerformanceAnalizer = intel製 リアルタイム で描画イベントをハックしたデバッグもできる。 • NSight = NVidia製 RenderDocに比べると敷居は高め ＊自分が一番よく使うのはコンソール系のProfiler達です が・・・。（一番ノイズが少なく詳細なので・・・） GPUProfileを撮れるProfiler
- 109. #ue4fest#ue4fest まずはディファードを拡張するのがオススメです。 理由は • GBufferを見ながらステップバイステップで状態を確認できる。法線の 値とかをRenderDocで確認したりできる。 • ディファードで動いたものはだいたいフォワードでも動く （ただし、GBuffer情報を使うポストプロセスは無理) • ディファードだとGBufferに収まるようにパラメータを考える必要があ るが、フォワードはGBufferを介さないのでパラメータを増やしやすい。 GBuffer構成を考えずにフォワードで拡張してしまうと後からディファ ードに対応するのが難しくなる。 じゃあどっちで拡張する？
- 112. #ue4fest#ue4fest • 独自のShading ModelをEngine/Sourceフォルダ内のC++ソー スコードに追加します。 • 追加したShading Modelの実際のライティング処理をShaders フォルダ内のShader Codeに追加します。 概要
- 114. #ue4fest#ue4fest • このスライドを作成した時点での最新版、4.20.3をベースに します。 • 4.20ではArea Lightの実装のため、シェーダーコードがかなり 変わりました。ライトの計算部分は複雑になりましたが、コ ードは整理されて、とても見やすくなりました。 • 4.20以前だと実装の仕方が少し変わります。 UE4のバージョンについて
- 117. #ue4fest#ue4fest 次はLightパス。 • DeferredShadingCommon.usf ShadingModelのID定義とGBuffer情報のデコード • DeferredLightingCommon.ush ライトとシャドウを処理して、Shading Modelごとの処理を呼 び出し、結果を加算する。 実際のシェーダー内での処理の流れ
- 121. #ue4fest#ue4fest Diffuseの計算はとってもシンプル AreaLight.FalloffColor 光があたってる範囲。通常は1 Falloff 距離によって減衰する光の強さ、Directionalは1 GBuffer.DiffuseColor ベースカラー Diffuse_Lambert πで割る
- 124. #ue4fest#ue4fest スペキュラの色とリフレクションの強さに大きく影響します。 Shader Code内でMetallicが使われている部分 GBuffer.SpecularColor = lerp(0.08 * Specular.xxx, BaseColor, Metallic.xxx); GBuffer.DiffuseColor = BaseColor - BaseColor * Metallic; スペキュラカラーはスペキュラ値が大きいほどMetallicに指定し た強度の白に近くなります。 Metallicが強いほどDiffuse色は黒に近くなります。結果的にリフ レクション要素が強く、はっきり見えます。 じゃあMetallicは何に影響するの？
- 125. #ue4fest#ue4fest こんなマテリアルを用意して試 してみました。 • ベースカラーは緑 • Metallic 1 • Specular 0.5 • Roughness 0 めいっぱい金属でツルツルです。 実際に試してみた
- 126. #ue4fest#ue4fest 比較用のマテリアル。 • ベースカラーをShader内と同様 にMetallicで減算 • Metallic 1 • Specular 0.5 • Roughness 0 実際に試してみた(その２)
- 132. #ue4fest#ue4fest • Metallicの数値を上げるとDiffuse Colorは0に近づきます。 • しかし、リフレクション計算時のDiffuse Colorは減衰しません。 Metalic=1の場合、そのマテリアルにはライティングの効果が全く無く、 BaseColor * リフレクションの色になるという考え方のようです。 ちょっともやっとします。完全に光を反射するなら、その物体の色がリ フレクションに影響するのも変じゃない？ 「鏡の色は何色？」みたいな話になってきます。 まあ、とにかくMetallicの数値を0より大きくするときは、リフレクショ ンが有効であることがセットになると意識するのが良さそうです。 Specularは光源の反射、Metallicはシーンの反射ということでしょうか。 Metallicとリフレクション
- 134. #ue4fest#ue4fest ライティング結果を最終的に反映させる部分。 LightAccumulator 結果の出力先 LightColor ライトの色 LightMask ライトの効果範囲のマスク。Directionalは常に1 Shadow.SurfaceShadow ダイナミックシャドウの結果 Lighting.Diffuse + Lighting.Specularがシェーディングの結果のDiffuseと Specular。 LightColor * LightMask * Shadow.SurfaceShadowがライトと影の影響 (Diffuse + Specular) * ライトの影響 * 影の影響 が最終的な結果になります。この結果を加算します。ライトは重なるとその 分明るくなるので、単純に加算していけば良いわけです。
- 136. #ue4fest#ue4fest UE4での動的な影はシェーダー内では２種類にわかれます。 • N dot Lの結果が０以下になった部分。 法線が光源と９０度以上離れていて、光の影響を受けないと みなせる部分。各Shading Model内で計算される。 • シャドウマップから生成されたマスク これはShading Modelの結果を加算するときに乗算されます。 影に処理を加えたい場合は、この２つの部分に手を入れると 良いでしょう。 影の処理は？
- 138. #ue4fest#ue4fest • Diffuseの計算部分を独自のものにする。LUTを参照したり、計算式を変 えたりで、お手軽にNPRっぽい表現になる。 • SpecularやリフレクションはNPRの場合必要無かったりする場合もある ので省いてしまって、GBufferを別の用途に使うのもアリ。 • Subsurface Colorの領域が使えるので、ベースカラー以外の色を追加す ることも可能。影色を別に指定できるようにしたり、スペキュラカラー を指定できるようにしたり。 • 難しいのは影の扱いと、間接光。特に間接光をカスタマイズするのは難 しい。アンビエントカラーで弱くすることはできます。 ライティングのカスタマイズのコツ
- 140. #ue4fest#ue4fest まとめ
- 141. #ue4fest#ue4fest • ライティングの仕組み、順番を理解しておきましょう。 • エンジンの改造は割と簡単。でもアップデート時のマージに は気をつけて。 • NPRを組むときもライティングの基本は理解して組みましょ う。 • アニメでもイラストでも基本的に光と影を考えて描かれてい るものです。実際のライティングの法則を少し捻じ曲げるの がNPRの基本だと思っています。PBRの考え方はそのまま NPRに繋がります。 まとめ、田中パート
- 142. #ue4fest#ue4fest • 何の機能を使うか、使うべきなのかは作るゲーム次第。 どんなに耳障りの良い機能があってもその機能の負荷やデメ リット、書かれてない部分での使い勝手などは必ずチームで 対象プラットフォームで確認。 他人の言う お勧めや簡単は あなたの都合、状況を反映し ているとは限りません。 むしろ考慮してない事の方が多いはずです。 特にコンソールの情報はＮＤＡに守られていて、そこを考慮 した情報は出せません。 確認は超重要‼ まとめ、梶井パート