5. Lighting

• Direct lighting 直接光: ，Directional light 平行光，punctual lights 点光源

• Indirect lighting 间接光: image based lights (IBLs), for both local2 and distant light probes.

5.1 Units

光照能量单位

Photometric units

光源类型以及每时刻发出的能量

Intensity unity for each light type

5.1.1.3 Luminous intensity

$$I = E \cdot d^2$$

5.2 Dirct lighting

5.2.1 Dirctional lights

$$ L_{out} = f(v,l) E_{\bot} \left< N \cdot L \right> $$ Evaluate dirctional light in code

vec3 l = normalize(-lightDirection);
float NoL = clamp(dot(n, l), 0.0, 1.0);

// lightIntensity is the illuminance
// at perpendicular incidence in lux
float illuminance = lightIntensity * NoL;
vec3 luminance = BSDF(v, l) * illuminance;

5.2.5 Lights parameterization

LIght types parameters

5.2.6 Pre-exposed lights

简单的应用相机曝光

fragColor = luminance * camera.exposure;

5.3 Image based lights

image-20230224161643436

5.3.1 IBL Types

• Distant light probes : 无限远的环境光，通常基于环境纹理，不会被遮挡

• Local light probes : 多处确定位置的环境光，使用插值获得当前位置环境光

• Planar reflections : 为每个镜面多渲染一个倒影世界，作为镜面间接光

• Screen space reflection : 在屏幕空间上做光线追踪获得对应的间接光颜色

5.3.2 IBL Unit

• Color calibration: using a gray card or aMacBeth ColorChecker

• Camera settings: aperture, shutter and ISO

• Luminance samples: using a spot/luminance meter

5.3.3 Processing light probes

5.3.4.1 Diffuse BRDF integration 漫反射积分

image-20230224183637503

离散时域

image-20230224183655308

但是对于半球上每个像素点采样是不可取的，需要采样图片一半的像素数量

预烘培 irradiance map，对于每个法向量，预先计算其对应的 E 存储在对应像素

使用 SH 拟合 EnvMap 节省空间

使用 3 阶 SH 公式，对应的 9 个基函数

normalized_basis_functions_per_band

将常数项存入 shader 的全局变量

vec3 irradianceSH(vec3 n) {
    // uniform vec3 sphericalHarmonics[9]
    // We can use only the first 2 bands for better performance
    return
          sphericalHarmonics[0]
        + sphericalHarmonics[1] * (n.y)
        + sphericalHarmonics[2] * (n.z)
        + sphericalHarmonics[3] * (n.x)
        + sphericalHarmonics[4] * (n.y * n.x)
        + sphericalHarmonics[5] * (n.y * n.z)
        + sphericalHarmonics[6] * (3.0 * n.z * n.z - 1.0)
        + sphericalHarmonics[7] * (n.z * n.x)
        + sphericalHarmonics[8] * (n.x * n.x - n.y * n.y);
}

SH 投影

$L^m_l$ 为各个基函数的系数，通过进行半球面积分进行求得一个大致值

$L^m_l=∫_ΩL(s)y^m_l(s)ds$

$L^m_l=∫^π_{θ=0}∫^{2π}{ϕ=0}L(θ,ϕ)y^m_l(θ,ϕ)sinθdθdϕ$

$L^m_l= 2\pi∑L(s)y^m_l(s)$

image.png

来自表面 s 方向的光的颜色，对 SH 基函数系数 L 做贡献。

SH 重建

由各方向的基函数的系数 L 重建来自 s 方向的光线。

对于任意一个方向累加各层基函数以及他们的系数

$$\hat{L}(s)=∑_l∑_{m=−l}^lL^m_ly^m_l(s)$$

5.3.4.2 Specular BRDF integration 镜面反射积分

镜面反射在半球上对所有方向的光线做积分

image-20230224184549573

image-20230224184602214

在图上表示为，对于法线对应的半球做重要性采样，在 EnvMap 对应的像素点上的光线做累加

解决办法

和漫反射一样，没法实时对图片一半像素做采样，所以也需要预烘培

把渲染方程的 BRDF 项和 irradiance 项拆开来分别预烘培

$L_{out} = ∫f(\Theta)L(l)dl = ∫f(\Theta)dl * ∫L(l)dl$

$\int f(\Theta) = [f_{0}DFG_1(n⋅v,α)+f_{90}DFG_2(n⋅v,α)]$

$∫L(l)dl = LD(n,α)

预烘培 Pre-integration for multiscattering

1. DFG 图

   1. DFG 图是横坐标为 α 纵坐标为 $⟨n⋅v⟩$ 的纹理，

   2. 两张 DFG 图分别为 f0 和 f90 的系数，

   3. 
   4. DFG 需要基于 F_Shilick 和 D_GGX

   5. 金属度用来求

   6. 他们的累加是特定粗糙度和特定视线对于法线的夹角下，对于该粗糙度系列材质（更改粗糙度不需要重新生成 DFG BRDF 的积分和。

   7. 将两张单通道 DFG 组合成一张双通道 DFG 图。

   8. 金属度和表面颜色用来求 f0, 所以不用参与图的生成

   9. 
2. LD 图是 LOD Environment map，使用 n 向量采样对应像素，α 为 lod 程度，越粗糙 mipmap 越高，同时采样到的原始像素数量就越多。

完整公式

$$L_{out}(n,v,α,f0,f{90})≃[f_{0}DFG_1(n⋅v,α)+f_{90}DFG_2(n⋅v,α)]×LD(n,α) \\ DFG_1(α,⟨n⋅v⟩)=\frac4N∑_i^N(1−F_c(⟨v⋅h⟩))V(l_i,v,α)\frac{⟨v⋅h⟩}{⟨n⋅h⟩}⟨n⋅l⟩ \\ DFG_2(α,⟨n⋅v⟩)=\frac4N∑_i^NFc(⟨v⋅h⟩)V(l_i,v,α)\frac{⟨v⋅h⟩}{⟨n⋅h⟩}⟨n⋅l⟩ \\ LD(n,α)=\frac{∑_i^NV(l_i,n,α)⟨n⋅l⟩L_⊥(l_i)}{∑^N_i⟨n⋅l⟩}$$

Pipeline stage flag	Required queue capability flag
VK_PIPELINE_STAGE_NONE	None required
VK_PIPELINE_STAGE_DRAW_INDIRECT_BIT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT or VK_QUEUE_COMPUTE_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_2_PRE_RASTERIZATION_SHADERS_BIT VK_PIPELINE_STAGE_TASK_SHADER_BIT_EXT VK_PIPELINE_STAGE_MESH_SHADER_BIT_EXT VK_PIPELINE_STAGE_VERTEX_SHADER_BIT VK_PIPELINE_STAGE_TESSELLATION_CONTROL_SHADER_BIT VK_PIPELINE_STAGE_TESSELLATION_EVALUATION_SHADER_BIT VK_PIPELINE_STAGE_GEOMETRY_SHADER_BIT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_2_VERTEX_INPUT_BIT VK_PIPELINE_STAGE_2_INDEX_INPUT_BIT VK_PIPELINE_STAGE_2_VERTEX_ATTRIBUTE_INPUT_BIT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_FRAGMENT_SHADER_BIT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_EARLY_FRAGMENT_TESTS_BIT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_LATE_FRAGMENT_TESTS_BIT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_COLOR_ATTACHMENT_OUTPUT_BIT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_COMPUTE_SHADER_BIT	VK_QUEUE_COMPUTE_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_HOST_BIT	None required
VK_PIPELINE_STAGE_2_ALL_TRANSFER_BIT (VK_PIPELINE_STAGE_TRANSFER_BIT) VK_PIPELINE_STAGE_2_COPY_BIT VK_PIPELINE_STAGE_2_BLIT_BIT VK_PIPELINE_STAGE_2_RESOLVE_BIT VK_PIPELINE_STAGE_2_CLEAR_BIT VK_PIPELINE_STAGE_2_ACCELERATION_STRUCTURE_COPY_BIT_KHR	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT, VK_QUEUE_COMPUTE_BIT or VK_QUEUE_TRANSFER_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_RAY_TRACING_SHADER_BIT_KHR	VK_QUEUE_COMPUTE_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_ACCELERATION_STRUCTURE_BUILD_BIT_KHR	VK_QUEUE_COMPUTE_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_2_ACCELERATION_STRUCTURE_COPY_BIT_KHR	VK_QUEUE_COMPUTE_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_ALL_GRAPHICS_BIT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_ALL_COMMANDS_BIT	None required
VK_PIPELINE_STAGE_CONDITIONAL_RENDERING_BIT_EXT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT or VK_QUEUE_COMPUTE_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_TRANSFORM_FEEDBACK_BIT_EXT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_COMMAND_PREPROCESS_BIT_NV	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT or VK_QUEUE_COMPUTE_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_FRAGMENT_SHADING_RATE_ATTACHMENT_BIT_KHR	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_FRAGMENT_DENSITY_PROCESS_BIT_EXT	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_2_INVOCATION_MASK_BIT_HUAWEI	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_2_VIDEO_DECODE_BIT_KHR	VK_QUEUE_VIDEO_DECODE_BIT_KHR
VK_PIPELINE_STAGE_2_VIDEO_ENCODE_BIT_KHR	VK_QUEUE_VIDEO_ENCODE_BIT_KHR
VK_PIPELINE_STAGE_2_OPTICAL_FLOW_BIT_NV	VK_QUEUE_OPTICAL_FLOW_BIT_NV
VK_PIPELINE_STAGE_2_SUBPASS_SHADING_BIT_HUAWEI	VK_QUEUE_GRAPHICS_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_2_MICROMAP_BUILD_BIT_EXT	VK_QUEUE_COMPUTE_BIT
VK_PIPELINE_STAGE_TOP_OF_PIPE_BIT	None required
VK_PIPELINE_STAGE_BOTTOM_OF_PIPE_BIT	None required