The Tomorrow Childrenのカスケードボクセルコーン

内容：ボクセルコーンのカスケードのトレース

The Tomorrow Childrenでは、ボクセルコーントレースに基づく革新的な照明システムを実装しました。 従来の直接または遅延照明システムを使用する代わりに、ボクセルを介してコーンをトレースすることにより、世界中のすべてを照らすシステムを作成しました。

このようにして、直接照明と間接照明の両方が処理されます。 PlayStation 4では、セミダイナミックシーンでのグローバルライティングの3つの反射を当てにすることができます。 6つのカスケードの3Dテクスチャを介して16の固定方向の円錐をトレースし、画面空間の方向シェーディング（画面空間方向オクルージョン）と動的オブジェクトの球状オクルーダーを使用して光を吸収し、最終結果を取得します。 また、エンジンは、高調波ベースの球面照明モデルもサポートしています。これにより、粒子照明を計算し、表面下散乱や屈折材料の近似などの特殊効果を実装できます。

Who：James Maclaren、 Q-Gamesのエンジンテクノロジーディレクター

私は10歳で誕生日に古き良きZXをプレゼントされたときにプログラミングを始めました。それ以来、後悔することはありません。 10代の頃、8086 PCとコモドールアミガで働き、その後コンピューターサイエンスの学位を取得してマンチェスター大学に入学しました。

大学卒業後、Virtek / GSIで数年間PC用フライトシミュレーター（ F16 AggressorおよびWings of Destiny ）で働いた後、日本企業Video Systemのマンチェスターオフィスでレースゲーム（ F1 Wo​​rld Grand Prix 1および2 for Dreamcast）に参加しました。 彼女のおかげで、私は何度か京都に行く機会を得て、この街に恋をし、2002年の初めにQ-Gamesで仕事を始め、そこに移りました。

Q-Gamesでは、DSのStar Fox Commandに取り組み、PixelJunkシリーズのゲームでベースエンジンが使用されました。 また、PS3 OSのグラフィックスと音楽のビジュアライザーでソニーと直接仕事をすることもできました。 2008年に3年間カナダに移り住み、 バイオハザードラクーンシティのスラントシックスゲームに参加し、2012年にQ-Gamesに戻ってThe Tomorrow Childrenの開発に参加しました。

理由：完全にダイナミックな世界

The Tomorrow Childrenの初期段階では、プレイヤーが変更および変更可能な完全にダイナミックな世界が必要であることをすでに知っていました。 アーティストはOctane GPUレンダラーを使用してイメージコンセプトのレンダリングを開始しました。 彼らは非常に柔らかいグラデーションの空の照明でオブジェクトを照らし、美しい光の反射に喜びました。 したがって、事前の焼き付けを行わずに、グローバルライティングの望ましい効果をリアルタイムでどのように実現できるのか疑問に思いました。


Octaneでレンダリングされた初期のコンセプトのスクリーンショット。 アーティストが求めるスタイルを示しています。

最初に、VPLを使用したさまざまなアプローチと、クレイジーなリアルタイムレイトレーシングの試みを試みました。 しかし、最も興味深い方向性は、スリルボクセルオクトツリー（スパースボクセルオクトリー）を使用してボクセルコーンをトレースする2011年の研究でCyril Crassinによって提案されたアプローチであることがほとんどすぐにわかりました。 シーンのジオメトリをフィルタリングする機能が好きだったので、私はこのテクニックに特に夢中になりました。 また、Epicなどの他の開発者もこの手法を検討したという事実に触発されました。 EpicはUnreal Elementalデモでそれを使用しました（残念ながら、彼らは後にこの技術を放棄しました）。

「コーントレース」とは何ですか？

コーントレース手法は、レイトレースにやや似ています。 どちらの手法でも、あるポイントで入射放射のサンプルを多数取得し、プリミティブを放出してシーンと交差させるよう努めています。

適切な分布で十分なサンプルを計算する場合、それらを接続して、目的のポイントでの入射光の推定値を取得できます。 次に、このデータをDFOSに渡します。DFOSは、ポイントでのマテリアルのプロパティを表し、ビューの角度の方向で出力照明を計算します。 明らかに、特にレイトレーシングに関しては説明の詳細を省略しましたが、比較のためにそれらはあまり重要ではありません。

ビームの交差点で、ポイントを取得します。コーンの場合、これにアプローチする方法に応じて、領域またはボリュームを取得します。 重要なことは、これは無限に小さい点ではなく、このため、照明の評価の特性が変化するということです。 まず、エリア内のシーンを評価する必要があるため、シーンをフィルタリングする必要があります。 さらに、フィルタリングにより、正確な値ではなく平均値が取得され、推定の精度が低下します。 一方、平均値を推定するため、レイトレーシング中に通常取得されるノイズは実質的に存在しません。

SiggraphでCyrilのプレゼンテーションを見たとき、このコーントレース機能が注目を集めました。 突然、サンプルの数が少ないポイントの照度を許容範囲内で推定する手法があることがわかりました。 また、シーンのジオメトリがフィルタリングされるため、ノイズがなくなり、計算をすばやく実行できます。



明らかに、問題はこれです：コーンサンプルを取得する方法？ 交差を定義する上の図の表面の紫色の領域は、計算がそれほど簡単ではありません。 したがって、代わりに、コーンに沿っていくつかのバルクサンプルを取得します。 各サンプルは、円錐の頂点に向かって反射される光の量の推定値と、その方向の光の吸収の推定値を返します。 ボリュームを通して光線を追跡するときに使用される単純なルールとこれらのサンプルを組み合わせることができることがわかります。

Cyrilの元の作業では、ボクセル化してまばらなボクセルオクトツリーにする必要があったため、2012年初頭にQ-Gamesに戻る前に、PC上のDX11でのみ実験を開始しました。 これは、非常に初期の（非常に単純な）最初のバージョンのスクリーンショットです。 （1つ目は単純なオブジェクトのボクセル化を示し、2つ目はシェーディングスキームでライトからボクセルに追加された照明を示しています）：





このプロジェクトには多くの浮き沈みがあったため、最初のプロトタイプの実装を支援するために、しばらくの間研究を延期しました。 その後、PS4開発機器に適合させましたが、フレームレートには非常に深刻な問題がありました。 最初のテストはうまく機能しなかったので、新しいアプローチが必要だと判断しました。 GPUのボクセルoctreeが理にかなっているかどうかを常に疑い、すべてをよりシンプルにすることを試みました。

ボクセルのカスケードがシーンに表示されます。



ボクセルのカスケードのおかげで、ボクセルをオクターブではなく3Dテクスチャに単純に保存し、異なるレベルの保存ボクセル（この場合は6つ）を作成できます。それぞれが独自の解像度を持ちますが、そのたびにボリュームのサイズが2倍になります。 これは、私たちの近くには解像度の良い大量のデータがあることを意味しますが、同時に、遠くにあるオブジェクトの大まかな考えがあることを意味します。 このタイプのデータ配置は、 クリップマッピングボリュームまたはライト伝播ボリュームを実装した人には馴染みがあるはずです。

ボクセルごとに、アルベド、法線、放射など、その6方向すべて（+ x、-x、+ y、-y、+ z、-z）のマテリアルのプロパティに関する基本情報を保存する必要があります。 次に、サーフェス上のボクセルの照明をボリュームに挿入し、円錐を数回トレースして反射照明を取得し、この情報をボクセルカスケードの異なるテクスチャで6方向のそれぞれに保存します。

上記の6つの方向は重要です。なぜなら、ボクセルは異方性になり、それがないと、たとえば薄い壁の片側から反射される光が反対側に漏れることがあり、私たちには適していないからです。

ボクセルテクスチャの照明を計算した後、画面に表示する必要があります。 これを行うには、世界の空間内のピクセルの位置からコーンをトレースし、その結果とマテリアルのプロパティを組み合わせます。これは、従来の2次元Gバッファーにもレンダリングされます。

元のCyrilメソッドとのもう1つの微妙な違いは、レンダリングメソッドです。すべての照明は、直接照明もコーンのトレースから取得されます。 これは、照明を挿入するために複雑なことをする必要はなく、直接照明を得るためにコーンをトレースするだけであり、それらがカスケードの境界を越える場合、空の照明を蓄積し、受信したすべての部分吸収でそれを減らします。 同時に、動的な点光源は、別のボクセルカスケードを使用して処理されます。ボクセルカスケードでは、ジオメトリシェーダーを使用して放射値を入力します。 次に、このカスケードからデータをサンプリングし、コーンをトレースするときにデータを蓄積できます。

初期のプロトタイプで実装された技術のスクリーンショットをいくつか示します。

まず、カスケードからの反射照明がなく、空の照明のみがあるシーンを次に示します。



そして今、間接照明で：



コーンをトレースするとき、オクターブではなくカスケードでさえかなり遅くなります。 最初のテストは素晴らしく見えましたが、コーンのトレースだけで約30ミリ秒かかったため、技術的な要件にはまったく適合しませんでした。 したがって、この手法をリアルタイムで使用するには、追加の変更を加える必要がありました。

最初に行った大きな変更：一定数のコーントレース方向の選択。 Cyril Crassinの元の手法では、書き込みあたりのサンプリングされたコーンの数は、表面の法線に依存していました。 これは、ピクセルごとに、最も近いピクセルに関係なくテクスチャのカスケードを通過する必要がある可能性があることを意味します。 この手法には隠れたコストがあります：ピクセルのボクセル方向の照明を決定するには、照らされたボクセルのカスケードからの各サンプリングで、異方性ボクセルの6つの面のうち3つをサンプリングし、バイパス方向に基づいて加重平均を取る必要がありました。 コーンをトレースするとき、途中でいくつかのボクセルに触れます。これにより、毎回過剰なサンプリングが発生し、帯域幅とALUリソースが浪費されます。

代わりにトレースの方向を修正する場合（球体の16方向でこれを行いました）、ボクセルのカスケードに沿ってうまく調整された通路を使用し、異方性ボクセルが16のそれぞれからどのように見えるかに関する情報を提供する放射ボクセルのカスケードを非常に迅速に作成できます方向。 次に、それらを使用してコーンのトレースを高速化します。したがって、3つのテクスチャサンプルの代わりに1つだけが必要です。



別の重要な観察を行いました。コーンをトレースし、カスケードのレベルを通過するプロセスで、隣接するピクセル/ボクセルにアクセスするボクセルは、コーンの上部から遠ざかるにつれてより類似します。 この観察は、よく知られている単純な効果です：視差。 頭を動かすとき、近くにあるオブジェクトは目のために動いているように見え、遠くのオブジェクトはずっとゆっくりと動きます。 これを念頭に置いて、16方向のそれぞれに1つずつ、別のテクスチャカスケードセットを計算することを決定しました。これにより、各ボクセルの中心からコーンの後ろ半分をコーントレースの事前計算結果で定期的に満たすことができます。

これらのデータは、遠くのオブジェクトの照明がユーザーの視点からほとんど変化しないことを示しています。 次に、このデータを結合できます。このデータは、コーンの「近くの」部分の完全なコーントレースを使用して、テクスチャから簡単にサンプリングできます。 「遠い」コーンデータに到達する距離を正しく設定すると（目的には1〜2メートルで十分です）、品質がわずかに低下しますが、速度が大幅に向上します。



これらの最適化でも望ましい結果が得られなかったため、計算データのボリュームを時間的および空間的に変更する必要がありました。

人間の視覚システムは、反映されたリフレッシュメントの更新の遅延を「許す」ことがわかりました。 0.5〜1秒までの反射光の更新の遅延により、人がよく知覚する画像が依然として作成され、計算の「不正確さ」を認識しにくくなります。 これを実現するために、各フレームでシステムカスケードの各レベルを更新しないことが可能であることに気付きました。 したがって、カスケードの6つのレベルすべてを更新する代わりに、1つだけを選択してフレームごとに更新します。 同時に、細かい詳細のレベルは、粗い詳細のレベルよりも頻繁に更新されます。 したがって、最初のカスケードは2フレームごとに、次は4フレームごとに、次は8フレームごとに、というように更新されます。 この場合、プレーヤーの近くで反射光を計算した結果は必要な速度で更新され、距離の大まかな結果ははるかに頻繁に更新されないため、多くの時間を節約できます。

明らかに、最終画面スペースの照明結果を計算するには、低解像度で画面スペーストレースの結果を計算することで品質をわずかに落とすことで、速度を大幅に上げることができます。 次に、ジオメトリとシェーディングエラーの追加補正を考慮して解像度を上げることにより、画面スペースを照明する最終結果を得ることができます。 The Tomorrow Childrenの場合、画面解像度の1/16（高さと幅が1/4）でトレースすることで良い結果が得られることがわかりました。



この原理は照明に関する情報にのみ適用されるため、結果は良好です。 シーン内のマテリアルプロパティと法線は、フル解像度の2次元Gバッファーで計算され、ピクセルレベルでライトデータと結合されます。 これがなぜ機能するのかを理解するのは非常に簡単です。環境の小さな地図のように、球の周りの16方向で取得した光データを提示する必要があります。 深さの急激な中断がない限り、（ピクセルからピクセルへ）短い距離を移動すると、このマップはわずかに変化します。 したがって、低解像度のテクスチャから簡単に復元できます。

このすべての情報を組み合わせることで、約3 msの時間でフレームごとにボクセルカスケードを更新することができました。 ピクセルごとの拡散照明の計算時間も約3ミリ秒に短縮されました。これにより、この技術を30 Hzの周波数のゲームで既に使用できます。

このシステムに基づいて、他の効果を追加することができました。 各ピクセルの視界の円錐を計算し、それを使用して16方向のトレーシングコーンから得られる照明を変更する、スクリーン空間での方向シェーディングのバリエーション（Screen Space Directional Occlusion）を開発しました。 また、キャラクターの影に似たものを追加し（キャラクターは非常に速く移動し、ボクセル化するには詳細すぎるため）、キャラクターの衝突のボリュームから取得した球体ツリーを使用して、指向性吸収を計算しました。

パーティクルの場合、ライティングカスケードのテクスチャの簡略化された4コンポーネントバージョンを作成しました。これは非常に低品質ですが、パーティクルを照らすのに十分に見えます。 また、このテクスチャを使用して、距離フィールド上で加速されたレイトレーシングを使用してシャープな反射を作成し、単純なサブサーフェススキャッタリングと同様の効果を記述しました。 これらすべてのプロセスの詳細な説明には時間がかかるため、詳細を知りたい方は、このトピックについて詳しく説明しているGDC 2015でのプレゼンテーションを読むことをお勧めします。

結果

ご覧のとおり、結果は従来のエンジンとは根本的に異なるシステムです。 それには多くの作業が必要でしたが、結果はそれを物語っているように思えます。 独自の方向性を選択して、ゲーム内で完全にユニークなスタイルを取得することができました。 標準的な技術や他の人の技術では達成できなかった新しいものを作成しました。