ビデオゲームでは、美しいリアルタイムの照明がパフォーマンスに大きな影響を与えます。これは特にモバイルデバイスで顕著です。 したがって、開発者はこの問題の回避策を探すことを余儀なくされています。 ライトマッピングは、ライティングに関する情報をテクスチャに保存するテクノロジーです。これにより、他のニーズのためにコンピューティングリソースを解放できます。

この記事では、読者にゲームの照明の理論を紹介し、Unity 5でライトマップを作成するプロセスを説明し、いくつかのヒントを共有します。







過去数年にわたって、私は職場でも、インディーズプロジェクトでも、「ライトマッピング」で多くの仕事をしなければなりませんでした。 チームの制作リソースが少なく、ゲームの場所に独自のグラフィックスを作成するために多くの時間を割り当てることができない場合、照明は画像の活性化と多様化に役立つ重要な要素の1つになります。

照明理論

反射光

用語を定義しましょう。 コンピュータグラフィックスの照明は、比較的言えば、2つのカテゴリに分類されます。

• 直接照明。 表面に光線が直接当たる。
• 間接照明。 光線は表面から反射され、散乱され、柔らかい補助光を形成します。

反射光を計算する方法は数多くありますが、最も有名なのはグローバルイルミネーション（GI）とファイナルギャザー（FG）です。 これらは個別に使用できますが、一緒に使用すると特に良い結果が得られます。 ただし、すべての費用を支払う必要があります。レンダリング、つまり複雑な照明の計算プロセスとそれに続く視覚化には多くの時間がかかります。



グローバルイルミネーション （GI）は、反射光をシミュレートする最も「正直な」方法です。 光子は光源から飛び出します-光の色と明るさに関する情報を運ぶ粒子。 表面を打つと、それらは照らされますが、エネルギーの一部を失い、その結果、色と明るさが変化します。 その後、光子は跳ね返り、次の表面に当たり、エネルギーの一部を繰り返し失います。 これは、レンダラーの設定に応じて数回発生します。



ファイナルギャザー （FG）は、シーン上のポイント（ ファイナルギャザーポイント）を散乱させます。 ファイナルギャザーポイントからは、光線がさまざまな方向に飛び出します。 表面との衝突後、光線は色とその明るさに関する情報を親ポイントに返します。 この写真を想像してみてください。夕方、太陽は地平線をほとんど越えました。 暗くなりますが、部屋の小さな部分はまだオレンジ色の夕日の光に包まれています。 床にあるファイナルギャザーポイントは複数の光線を異なる方向に送ります。それらの一部は部屋の照らされた部分に到達し、この情報で開始点に戻り、それによって床に「反射」オレンジ色の光がわずかに照らされます。 これはGIほど「正直な」方法ではありませんが、良い結果を生み、シーンを美しいソフトな照明で埋めるためによく使用されます。



次の図では、反射光のパラメーターを異常な値にねじったため、光の粒子がオブジェクトにどのように反射するかを明確に確認できます。

アンビエントオクルージョン

反射光に加えて、いわゆるアンビエントオクルージョン （AO）にも関心があります。 これは、コーナーのシェーディング、クラック、狭い開口部の影響です。 光線が部屋の隅に飛ぶと、両方の壁から数回反射され、徐々に消えていくと想像してください。 隅に行くほど、そこに届く光は少なくなります。



原則として、アンビエントオクルージョンは、シェーディングの効果を芸術的に強調するために使用されます。実際には、光線はすぐにエネルギーを失うことはなく、部屋の隅ではゲームのように暗くなります。 物理的に正しい照明をレンダリングする場合、エンジン自体が光線によるエネルギー損失率を計算するため、アンビエントオクルージョンマップ（テクスチャ）を個別にレンダリングする必要はありません。 しかし、芸術的な計画を実行する必要がある場合は、それを行うことができます。







ところで、私はしなければなりませんでした：一部のデジタル2Dアーティストは、ペイント中にこの効果を模倣するのが好きで、一般に、彼らの仕事のプロセスは、3Dグラフィックスを作成する方法と非常に似ています。

テクスチャアトラス

次に知っておくべき用語はテクスチャサテンです。 大まかに言って、これはいくつかの小さなテクスチャを含む1つの大きなテクスチャです。 ほとんどの場合、テクスチャアトラスは、コンピューティングリソースを節約するために作成されます。 スペシャリスト、隠しトーチ、熊手など、非常に簡単な例を挙げましょう。 ゲームに居酒屋があり、20の木製オブジェクト（テーブル、椅子、スプーンなど）があり、それぞれに独自のテクスチャがあるとします。 その結果、CPUはGPUに20回アクセスし、各オブジェクトを個別にレンダリングする必要があります。 20個すべてのテクスチャが縫い付けられている1つのテクスチャアトラスを参照して、すべての木製オブジェクトを1つのマテリアルに割り当てると、GPUは1回の呼び出しで20個のオブジェクトをレンダリングできます（これは描画呼び出しです。記事の最後でこのトピックに関する興味深いリンクを提供します）。



「ライトマッピング」の場合、オブジェクトごとに追加の小さなテクスチャが作成され、ライティングに関する情報が「ベイク処理」されます。 次に、さまざまなオブジェクトの多数の小さなテクスチャが大きなテクスチャアトラスに配置されます。 木製家具と同様に、パフォーマンスも向上します。

Unityを使用する

一般的な情報

しかし、Unity自体のライトマッピングに戻ります。 まず第一に、忍耐強く、そして可能であれば、強力なコンピューターである。 レンダリングプロセスはプロセッサとRAMを完全に占有する傾向があるため、仕事に行く前やスリープ状態にする前にオンにします。 したがって、レンダリングが既に完了した時点でコンピューターに戻ります。

今後、Unityはライティング計算の中間結果をキャッシュすることを警告します。 システムドライブの10ギガバイトのスペースを失ったことがわかると、これがそれです。 キャッシュを構成するには、[ 編集]-[設定]-[GIキャッシュ]に移動します。 ここで、保存場所と最大サイズを指定できます。 圧縮を削除することができます。「重量」は多くなりますが、より速く動作します。 すぐにキャッシュをクリアできますが、ライトマップを開いた状態のシーンがある場合は、それも削除されることに注意してください。



Unityで使用できる光源には5つのタイプがあります。

• 指向性ライト 。 最も単純な、日光をシミュレートします。 互いに平行な無限の数の光線です。
• ポイントライト 。 点光源、つまり光線は1つの点からすべての方向に発散します。 そのような光源の良い例は、普通の電球です。
• エリアライト 。 領域を持つ光源。 光が来る長方形のパネルを想像してください。これはエリアライトになります。 このような光源は、オフィス、ショッピングセンター、および広いエリアを照らす必要があるその他の非居住施設で最もよく使用されます。
• アンビエントライト 光源なしで光を満たします。 使用例：暗すぎる影。 大気のダンジョンを追加し、生物発光植物のほとんど目立たない光で満たしてください。
• 光プローブ 。 動的オブジェクトのみに影響する特別な光源。 技術的には、これは光源ではありませんが、簡単にするためにそれを呼び出します。

Unityでは、すべてのオブジェクトは動的 （ 静的 ）と静的 （静的）に分けられます。 静的オブジェクトは、常に静止し、どこにも移動しないオブジェクトです。 照明の「焼き付け」が行われるのは彼らのためです。 動的オブジェクトとは、反対に動いているオブジェクトです。 これには、ヒーロー、モンスター、手を振る旗、崖から落ちる石などのシーンの要素が含まれます。 ライトマッピングは、これらのオブジェクトには適していません;リアルタイム光源またはライトプローブのいずれかによって照らされます。これについては記事の最後で説明します。

光源パラメーター

光源の設定がどのように重要であるかに注意を払いたい（使用可能な設定は光源のタイプによって異なります）：

• ベーキング 。 光源の処理方法を選択できます。 「ライトマッピング」では、Bakedの位置に配置します。
• 色 実際には、光源の色。
• 半径 パラメーターポイントLight'a、光線の飛ぶ距離を担当します。
• 強度 光源の明るさだけ。
• バウンス強度 。 現在の光源から放出される反射光線の明るさを決定します。
• シャドウタイプ 。 影の表示を定義します。 ソフトシャドウを使用することをお勧めします。ソフトシャドウを使用すると、レンダリング時間が長くなりますが、美しいシャドウが得られます。
• ベイクドシャドウアングル 。 ソフトシャドウでのみ使用できます。 長い影を想像してください。 キャストするオブジェクトから遠ざかるほど、ぼやけます。 パラメータが「0」に設定されている場合、影は事実上ぼやけません。 「0」以上に設定すると、ぼかしが表示されます。

舞台照明の調整

シーンを照明するためのウィンドウはWindow-Lightingから呼び出され、 Object 、 Scene 、 Lightmapsの 3つのタブで構成されます。 ライティングレンダリングを開始するには、ウィンドウの一番下にある[ビルド]ボタンを使用します。 [自動]チェックマークもあります。これは、シーンに変更を加えるたびにレンダリングを自動的に開始します。 強力なコンピューターを使用している場合に使用します。 以下は、「ライトマッピング」プロセスの最後に表示される「ライトマップ」の数とサイズに関する情報です。

セクション-オブジェクト

オブジェクトは、特定のオブジェクトの設定を表示します。 シーンで環境要素を選択すると、いくつかの設定とパラメーターが表示されます。 オブジェクトが静的であれば、Lightmap Staticチェックボックスでチェックマークがオンになります。 ほとんどの場合、ここで[ライトマップのスケール]フィールドを使用します。 前に述べたように、各オブジェクトについて、ライティングは個別の小さなテクスチャに「焼き付け」られ、その後、大きな「ライトマップ」アトラスに配置されます。 [ライトマップのスケール]パラメーターを使用すると、このテクスチャが占めるスペースを調整できます。 もちろん、割り当てられたスペースが少ないほど、「焼き付け」照明の品質は低下します。 デフォルト値は「1」ですが、オブジェクトがほとんど視野に入らないこと、またはオブジェクトが背景から遠く離れていることがわかっている場合、このパラメーターを0.1以下に安全に減らすことができます。

セクション-シーン

シーンには、ライティングレンダリングの主要な設定があります。 ライトの操作の基本を説明し、モバイルプラットフォーム専用の「ライトマッピング」の経験も共有しているため、リアルタイムGIやHDRテクスチャを光源として使用することを意図的に見逃しています。



Ambient Sourceで、Ambient Light塗りつぶしソースを設定しましたが、これについては既に述べました。 空のテクスチャ、単色の空、色のグラデーションに基づいて作成された空のいずれかを選択できます。 グラデーションを選択します。 空のドーム、赤道、地球の3色をカスタマイズできます。これにより、シーンにかなり複雑で興味深い補助光が作成されます。 周囲の強度は、このライトの明るさを示します。 芸術的な意図に応じて、1つのアンビエントライトで非​​常に明るいシーンを照らすこともできます。



ベイクドGIタブには、GIとFGの両方を含む、直接および反射の両方の照明の品質の基本設定が含まれています。

これらの設定を掘り下げる前に、1つのアドバイスをしたいと思います。 ステージ上に光源を配置し、シャドウとアンビエントライトを調整する場合、ライトマップをレンダリングした後、あなたがやったことに似ているだけのまったく異なる画像が得られることに常に留意してください。 したがって、反復を使用することをお勧めします。レンダリングが迅速に行われるように照明の最低品質を設定し、レンダリングの結果を確認してから、変更を加えて再レンダリングを開始します。 結果に多少満足したら、レンダリングの品質を改善し、ファイナルギャザーを有効にすることができます。 これには時間がかかるため、比較的長時間コンピュータを離れる前にこのようなレンダリングを有効にすることは理にかなっています。



[ベイクドGI]タブの設定は、テクセルなどのユニットで動作します。 簡単に言えば、テクセルはピクセルですが、画面上ではなく、3次元モデルのテクスチャ空間内にあります。 しかし、気にしないでください、Unityがテクセルでどのように動作し、テクセルがオブジェクトのスケールにどのように依存するかを言うのは難しいので、単純に実験的な道を進んでください。 たとえば、モバイルRPGでは、Baked Resolutionを25に設定して最終レンダラーを作成しています。





以下では、各パラメーターについて個別に説明しますが、その前に何か他のことを知る必要があります。 Unityでライティングレンダーを実行すると、エンジンが現在ビジー状態であるものが右下に書き込まれます。 レンダリングプロセスの最後に、合成がそこに書き込まれます。



実際、ライトマップはレイヤーで生成されます。 レンダリング中に、いくつかの個別のテクスチャが作成されます。 Unityがどのカードを作成するかわかりませんが、その中にはリストの全部または一部があります：拡散（直接光）、GI（グローバルイルミネーション）、FG（ファイナルギャザー）、AO（アンビエントオクルージョン）など。 その後、エンジンはこれらのカードを受け取り、互いにマージします。 たとえば、拡散レイヤーはベースに配置でき、FGレイヤーはブライトニングモード（Photoshopと同様）でその上に配置され、AOレイヤーは乗算モードでより高く配置されます...その結果、これらのレイヤーは1つの画像にマージされ、最終結果は「ライトマップ。」

タブ-ベイクドGI

• ベイクドレゾリューション 。 このパラメーターは、ライトマップの全体的な品質と見なすことができます。また、前の段落で説明した拡散反射光でもあります。 高くするほど、画像は鮮明になります。 しかし、あまり夢中にならないでください。一定の制限があり、その後は違いに気付かないでしょう。 一般に、「ベイク」の品質とレンダリング時間のバランスを探すことが重要です。
• ベイクドパディング 。 一般的なアトラス内の個々のテクスチャ間の距離。 圧縮中に、アトラスが「フロート」し始めたときに、1つの個別のテクスチャの色が別のテクスチャを飛び散らせないようにする必要があります。 私のゲームでは、通常1〜3以内でベットします。
• 圧縮された ほとんどの場合、ここにチェックマークが付きますが、Unityはライトマップアトラスを圧縮します。 圧縮されていない状態では、それらはふさわしく「重く」なります。
• 間接的な解決 。 このパラメーターは、GI、FG、および場合によってはAOレイヤーの品質または詳細と見なすことができます。 ここで大きな数字を入力しても意味がありません。違いはわかりません。 たとえば、Baked Resolutionに40を入力した場合、間接的には3〜8の領域に安全に配置できます。
• アンビエントオクルージョン 記事の冒頭で書いたように、AOは光ビームによるエネルギーの損失のため、さまざまな角度で陰影をつけています。 このパラメーターは、エネルギーが失われる速さを調整します。 設定が高いほど、AOは暗くなります。 AOは実際には物理的に正しい照明とは何の関係もない芸術的なデバイスであることを思い出させてください。
• 最大距離 概して、これはアンビエントオクルージョンの調光距離にすぎません。 部屋の角度を例にとると、高い最大距離では調光は非常に早く始まり、低い最大距離では調光はコーナーの非常に深い部分でのみ行われます。
• ファイナルギャザー 。 記事の冒頭で説明した反射光法が含まれています。 デフォルトでは、GIのみがレンダリングされます。ここでは、FGも有効にします。 FGがシーンの周囲に散布するポイント数の設定はどこにもありません。 これは何らかの方法で間接解決策に依存していると思います。
• レイカウント 。 各FGポイントが放出するレイの数。 ほとんどの場合、32光線または64光線で十分です。

タブ-一般的なGI

General GIタブで興味のある設定を見てみましょう。

• 指向性モード 。 各「ライトマップ」の非常に具体的なパラメーター「ベイキング」が2番目のアトラスです。 通常の「ライトマップ」は、オブジェクトのイルミネーションをシミュレートするシンプルなテクスチャです。 Directionalと呼ばれる2番目のアトラスには、光線の移動方向に関する情報が含まれています。 このモードは、法線マップを使用していて、モバイルゲームで作業していない場合にのみ意味があります。 そうでない場合は、非指向性を使用することをお勧めします。
• 間接強度 これは、間接光、特にFGのあるレイヤーの輝度であると言えます。 前に、「ライトマップ」は実際には互いに重ね合わされたレイヤーから組み立てられると既に述べました。
• バウンスブースト GIレイヤーに含まれている情報に関する反射フォトンの明るさを調整します。
• アトラスサイズ 。 これは、「焼き付け」照明を使用したテクスチャアトラスのサイズを示します。 19世紀からモバイルデバイス用のゲームを作成している場合、2048のテクスチャは非常に古いデバイスではサポートされていないため、ここで1024を設定するのが理にかなっています。 そうでなければ、2048をインストールすることをお勧めします。これは、近年のほとんどすべてのデバイスでサポートされています。 ご存じのとおり、1つのアトラスのサイズが小さいほど、より多くのアトラスを作成する必要があります。 ドローコールという用語に精通していれば、アトラスの数が増えると生産性が低下することを簡単に予測できます。 したがって、特定の要件がない場合は、2048でレンダリングしてみてください。

タブ-霧

そして最後に、霧！ 霧、つまり。 照明レンダラーとは関係なく、いつでもオンとオフを切り替えることができます。 ここではすべてが非常に簡単なので、試してみてください。 霧は非常に強力な芸術的ツールであるとしか言えません。 フォグを通してシーンの雰囲気を根本的に変えることができます。彼のおかげで、晴れたシーンはより明るく、より暗く、より暗くなります。



さらに、霧は生産性を高めるツールとして使用できます。 たとえば、遠くにあるすべてのオブジェクトのテクスチャをオフにし、それらをフォグの後ろに隠したい場合があります。 World of Warcraftの古いバージョンでは、プレイした場合、霧の濃さに気付かざるを得ませんでした。

セクション-ライトマップ

3番目のセクションは、レンダリングされたライトマップが配置されるLightmapsです。 さらに、多くのアトラスがある場合、タブの上部ではすべてのアトラスを見ることができず、そのウィンドウのスクロールは非アクティブです。 したがって、下を見て、マウスホイールをスクロールします。



ここで、最後の最も低い「ライトマップ」アトラスがどれだけいっぱいになっているかを確認することが重要です。 ほとんど空の場合は、ライトマップの品質を上げてアトラス全体を埋めるか、アトラスが空になって削除されるように下げます。 以下の図は、2つの十分に満たされたアトラスと1つを示しています-限り。



ライトマップは、深さ32ビットのEXRファイルに保存されます。

光プローブ

ライトプローブについて話すことも約束しました。 それらは、周囲の空間の照明に関する情報を吸収する小さな球体です。 そのようなエリアが多数ある場合、レベルまたは場所のイルミネーションの一意のマップが作成されます。 次に、光が「焼き付けられていない」動的オブジェクトを照らすために使用されます。



それらの意味をよりよく理解するために、例を挙げます。 ステージには、ベイク処理された設定を持つ1つのポイントライトがあります。つまり、ライトを「ベイク処理」するために使用されます。 パフォーマンスの点で高価であり、多くのモバイルデバイスはこのような光源をまったくサポートしていないため、リアルタイムでは実行しません。 次に、シーンを「ライトマップ」し、ポイントライトが周囲を照らしていることを確認します。 しかし、モンスターを取り、光源の隣に置くと、ダイナミックオブジェクトのクラスに属し、ポイントライトは静的オブジェクトのみに影響するため、モンスターは暗くなります。



次に、光源の周りにライトプローブのグリッドを配置し、照明を再度焼きます。 そして今、あなたのモンスターはポイントライトの周りを歩き、それに照らされることができます！ これは、照明をシミュレートする非常に効果的で安価な方法です。 シーンに「サンプル」を追加するには、 ゲームオブジェクト-ライト-ライトプローブグループに移動します。 4つの球体の立方体がシーンに表示されます。 個々の球体を選択するには、Ctrlキーを押しながらクリックします。 インスペクターにいくつかのボタンが表示され、球を追加または削除できます。 ctrl + Dの組み合わせを使用して、球体を複製することもできます。



ライトプローブを慎重に配置し、照明に関する情報を組み込む場所に配置してから、動的オブジェクトに送信します。 グラフィックアーティファクトと明滅する光を避けるために、ライトプローブが均一で美しいグリッドを形成するようにしてください。



以下は、正しく設定されたグリッドのスクリーンショットです。 よく見ると、ライトプローブがランダムに表示されているのではなく、光源を囲んでおり、光から影への移行を効果的にキャッチしようとしていることがわかります。

おわりに

最後に、ライトマッピング用の環境モデルの作成についてアドバイスします。 ゲームのコンテンツを作成するとき、ゲームカメラがどちらの側から見えるかを知っていたので、疑わしい最適化のために、いくつかのオブジェクトの後壁を削除しました。 当時、私は「ライトマップ」のレンダリングの経験がありましたが、UnityではなくMayaのみでした。 穴のあるオブジェクト、つまりリモートポリゴンの近くでUnityで照明をレンダリングすると、硬くはっきりと見えるアーティファクトが表示されることが判明しました。 覚えておいてください。

便利で興味深いリンク

• 3Dアーティスト向けに書かれた物理的に正しい照明およびレンダリングシステムの説明 。
• 描画呼び出しとグラフィックスの最適化について詳しく知りたい場合は、プログラマー向けではない素晴らしいマテリアル- レンダリングヘル2.0があります。
• UnityのWebサイトには、照明システムの説明がよくあり、場所によっては私の資料を反映しています。
• この短い記事では、Diablo IIIの例を使用して、AAAゲームの開発者が同じトリックを使用する方法を示します。環境のグラフィックスを変更せずに、1つの照明でレベルの雰囲気を大幅に変更します。