[sig12][PBS]Farcry3的物理日照

[sig12][PBS]Farcry3的物理光照

使用物理光照的游戏列表里面又多了一个有力的成员--farcry3.

这里主要讲了3个方面：

diffuse贴图的矫正天空盒与sky lightingshading model的选择why physical?提到physicallighting时候，一般的官方回答：真实的光照效果在多变光照环境下，材质始终表现正确这里我想补充一点就是，如果不是physicallighting，那么什么样呢？其实我们只有两个选择，基于真实理论的，或者基于hack，跟着感觉走硬凑的。真实理论的就是physicallighting。跟着感觉走硬凑就要面临这样的问题，在一个光照环境下是对的，但是换一个环境就不对了，当然也可能美术和程序都特别牛，经过猛烈的一顿调整之后，在所有情况下都是对的了，那么这个结果就一定是physicallighting的，只不过一个是直接在众多研究者，程序员的基础上直接抵达，一个是经过大量尝试曲线救国。
diffuse贴图的矫正这里一个概念是albedo:是指在某一个角度上，反射的能量与入射的能量的比值。这里主要讨论diffuse albedo，标准的diffuse贴图就是描述材质漫反射的一个属性，是不能带有额外的光照信息（也包括shadow，ao。。。）。但是实际我们去diffuse贴图的时候，基本都是从照片中取出来，这样就不可避免的带有光照信息。比如说我们要刻画一个乳白色的墙，但是我们在夕阳下的照片是发黄的，这样就没法正确的描述呛得乳白色的特性，同样道理，直接阳光下的过白，有阴影等都影响了diffuse属性的表达。为了达到光照正确，我们需要对diffuse贴图进行一系列的矫正。这里farcry3用的方法是：
贴图都是自己拍的照片拍的时候使用一个叫macbeth color checker，就是图里面的那个调色板然后使用一个photoshop script来根据调色板的颜色值与标准的颜色值的差别，进而计算出如何进行计算才能将照片中贴图去光照信息。几个实践中的问题，f1， arcry3项目组在比较后期的时候才开始做这个事情，那么已经做好的很多贴图并没有通过重新拍照获得，也没有办法，这个时候就看artist的功力了，好的artist可以根据经验，以及已经较好色的texture来把这些图片处理好。2， 美术对于diffuse albedo难以很好的理解，对于其中的光照信息也不能很好的理解，这里做一个区分，光照信息部分是要调节掉的，但是shadow和ao是可以保留的，尽管最好是能够去掉，但是这部分工作就比较难了，fc3的工具也只是去光照信息。fc3的矫正工具还有很多可以提高的地方，比如：处理camera带来的扭曲问题使用起来也不那么便捷
sky dome与sky lighting项目初期时候，sky是使用两个贴图来描述的，这里带来两个问题：只能表现出LDR的信息没法准确描述出天空亮度上的变化（这个变化是基于物理正确的）后来fc3使用的天空模型是CIE sky model，
这个模型由一些描述信息（比如描述天空是干净晴朗的，还是比较阴沉的，参数就是上面公示里面的a,b,c,d,e），然后加上角度等，就可以给出非常物理正确，很自然的结果，而且：artist也有相当的控制力自然的，而且是HDR的不会有贴图控制的带来的分辨率的问题SkyLighting
skylighting在现在需要的是更加逼真，也就是有层次，像半晚这样的情况，已经不能用简单的一个颜色来代表。fc3使用的方法是根据cie sky model来把radiance信息放到一个light probe存成sh系数（2阶），然后放到shader里去使用。然后可以让artist降低饱和度来是的天光不要那么蓝:


但是中间发生一个问题，就是直接使用cie sky model的时候发现给出的感觉没有照片来的“清澈”，后来发现用作参考的照片普遍使用了polarization filter，效果对比：
(右边是有polarization filter)这个feature挺酷的，查了一下很有意思，这里多说一下，这里比较全偏振性是指波的震动方向和传播方向不一致，也就是只有横波才有偏振性。自然光在经过非金属的反射和折射之后，偏振方向会发生变化，变化和入射的角度有关。在摄影的时候如果使用偏振镜，就可以滤掉很多设定角度以外的偏振光，那么很多我们不需要的光线就被干掉了，会呈现出更加通透的感觉。实际的摄影效果果然很棒：
在清晰的了解了这个之后，就在cie sky model基础上加了一个fake的polarize filter--一个artist指定的颜色，这样sky就呈现了偏振镜的效果了。
ShadingModelfc3早期的光照模型既不能量守恒，也没有fresnel，暴露specular power和intensity给artist，也很不直观。转向physicallighting之后，在shading model的选择上，fc3并没有和其他的有什么不同，也是microfacet brdf：
但是在性能的优化和追求上，更进一步：specular power的计算上，选取了cod7里面一样的gloss是[0,1], specular power = pow(2,13*g);normal distribution function:
fresnel项，一般推荐的是schlick（读成“司库力克”)approximation，这里后面有个文章使用spherical gaussion approximation进行了个优化，两者公式：
visibility使用schlick smith


对于visibility的优化和tri ace的方法很像，使用数学简化，然后曲线逼近，最后变成：(2*specPower+1)/8。
SpecularFilter在使用physicallighting的时候，一个问题就是远处的specular lighting有闪烁的情况。造成这个问题的一个原因就是用于计算的gloss值没有根据材质离得远的时候，normal的方差变化，那么specular power也应该有相应的变化。这个方面已经有一些研究，比如LEAN和CLEAN mapping，来解决这个问题，但是消耗比较大。fc3使用的方法是toksvig map，它是使用normal的方差和gloss来重新估算specular power:
m:原先的specular power，Na:normal的方差。这样修改texture exporter，可以在各个mipmap里面对gloss进行相应的矫正就可以了。fc3使用的是dxt5n作为normal map的存放方案，rb通道是空出来的，fc3决定把gloss放入r通道，但是这个又对g通道的压缩造成影响。这里对压缩率损失的方法，说的不是特别清楚，从文中推测是：在r通道里面高mipmap里不是存的矫正过得gloss，而是一个toksvig的平均值，然后使用mip0的gloss和这个toksvig的值做一个scale，得到最终的结果。
实践的一些总结physicallighting是在fc3项目比较晚的时候引进，大幅度的提升了画面质量，也证明这个晚一些做也是可以的。性能总体上来说，没什么变化，虽然计算是多了些，但是很多不必要的hack也可以移除了，两个彼此抵消。美术这里也可以很迅速的生成贴图，达到生动饱和的场景的目的。

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