灯光缓存渲染引擎解读

林伟贤

由于本案例将使用Light Cache（灯光缓存）渲染引擎进行渲染，因此首先向读者介绍一下Light Cache的相关知识。

Light Cache（灯光缓存）也使用近似计算场景中的全局光照信息，它采用了Irradiance map和Photon map的部分特点，在摄像机可见部分跟踪光线的发射和衰减，然后把灯光信息储藏到一个三维数据结构中。它对灯光的模拟类似于Photon map，而计算范围和Irradiance map的方式一样，仅对摄像机可见部分进行计算。虽然它对灯光的模拟类似于Photon map，但是它支持任何灯类型，也就是说，它对灯光的模拟是类似于光子贴图的，但计算范围和发光贴图的方式是一样的，仅对摄影机中的可见部分进行计算。虽然它对灯光的模拟类似于光子贴图，但它对灯光没有局限性。

注意：由于Light Cache灯光缓存特殊的计算方式，在使用灯光缓存时，尽量不要将材质色彩的RGB值设置到255，这样会导致追踪路径过长从而增加渲染时间。

展开Indirect Illumination（GI）卷展栏，打开场景中的间接照明，如图5-52所示。




图5-52  打开间接照明

Indirect Illumination（GI）中全局光照分为Primary bounces和Secondary Bounces，Primary bounces中有4种GI渲染引擎，如图5-53所示。




图5-53  一次反弹中的4种GI渲染引擎

Secondary Bounces中有3种GI渲染引擎，如图5-54所示。




图5-54  二次反弹中的3种GI渲染引擎


这里着重介绍Light Cache 灯光缓存渲染引擎，这种引擎在墙角处的效果会更好，层次会更细腻。Light Cache灯光缓存是建立在追踪摄影机可见的许许多多光线路径的基础上，和发光贴图正好是相反的，是逆向的．它对灯光没什么限制只要灯光被vray支持它就支持．在做预览时是很快的．它可以单独完成对整个场景的GI照明，也可以配合别的贴图做二次反弹．一般我们在Secondary Bounces 次级漫射反弹中使用Light Cache 引擎，这种方法在室内场景中已经被高手广泛应用了，同样在室外表现中也是好的方法，无论是场景表现还是建筑表现我们都可以使用它。当使用了 Light Cache灯光缓存后在 VRay渲染器中就会出现新的Light Cache面板。注意如果不激活灯光缓存引擎，那么Light Cache专用面板是不会出现的，如图5-55所示。



5-55  Light Cache参数面板


1. Calculation parameters（计算参数）：用来设置Light cache的基本参数，比如细分、样本大小、单位依据等。

（1）Subdivs（细分）：用来决定Light cache的样本数量，值越高，样本总量越多，渲染效果越好，渲染时间越慢。

提示：在Light Cache参数面板中Subdivs参数是非常重要的，它控制了Light Cache的采样，该参数值越大越能得到好的画面效果，同样渲染速度会变慢，Subdivs的意义是确定有多少条来自摄像机的路径被追终，路径的数量是Subdivs参数的平方值如果Subdivs设置为 300 那么被追踪的路径数量就是300×300=90000条路径，如果Subdivs设置为1000的话 那么被追踪的路径数量为1000×1000=1000000条路径。


不同Subdivs值的测试渲染效果对比，图5-56所示，

  
  

图5-56  不同Subdivs值的测试渲染效果对比

（2）Sample size（样本大小）：用来控制Light cache 的样本大小，比较小的样本可以得到更多的细节，但是同时需要更多的样本。

Sample Size 样本尺寸他的意思是控制灯光缓存中样本的间隔，较小的值得到的是样本之间距离比较近，较大的数值能使样本之间的距离比较远，较小的数值可以保护灯光锐利的细节将有效的控制产生的噪波，并占用更多的内存，根据灯光缓存Scalle模式的改变，这个参数可以使用为世界单位，也可以使用相对图像的尺寸。

不同Sample Size值的测试渲染效果对比，图5-57所示。

  
  
  
图5-57  不同Sample Size值的测试渲染效果对比


（3）Scale（单位依据）：主要确定样本的大小依靠什么单位，这里提供了两种单位Screen和World。

Screen：这个选项所选择的比例是按照最终渲染图的尺寸来确定的，靠近摄像机的样本比较小，而远离摄像机的样本比较大。这个比例不依赖于图像分辨率，渲染500和5000分辨率的图的时候效果是一样的。

在Sample Size参数值不变的情况下，Scale为Screen时渲染效果是不受图像分辨率影响的，测试渲染效果如图5-58所示。

  
  

7. 图5-58  测试渲染效果（画面已被缩放过）


（4）World（世界单位）：该选项会使场景在任何一个地方都是用固定的世界单位，经过实践可以发现同样的Sample Size参数值在Scale为world时，渲染1000和2000分辨率的图的时候效果是不一样的。

在Sample Size参数值不变的情况下，Scale为world时渲染效果是受图像分辨率影响的，测试渲染效果如图5-59所示。

  

  
8. 图5-59  测试渲染效果（画面已被缩放过）


（5）Store direct light（储存直接光照）勾选此选项以后，Light cache 将保存直接光照信息。当场景中有很多灯时，使用这个选项会提高渲染速度。在使用发光贴图或直接计算GI为初级反弹的场景时特别有用，因为直接光照明已经包含在灯光缓存中，而并不对每一个灯光进行采样。

该选项默认是打开的，在实际的运用中发现在我们经常使用 irradiance map+Light Cache 的时候，打开和关闭Store direct light我们发现不会对生成Light Cache的速度有什么影响，但是会对irradiance map的速度有影响，
打开和关闭Store direct light选项时测试渲染时间对比，如图5-60 所示。

  
   
9. 图5-60  打开和关闭Store direct light选项时测试渲染时间对比


观察测试渲染时间对比，Store direct light选项会使计算irradiance map的时间比关闭的时候快1倍多，在很细微的观察的时候会发现Store direct light关闭的时候在物体转折的地方效果会好一点，不过效果微弱，实际工作中可以忽略不计。

（6）Show calc.phase: 勾选此选项后，可以显示Light cache的计算过程和被追踪的路径，对渲染效果没有任何影响。


2. Reconstruction parameters（优化参数）：这里主要是对Light cache的样本以不同的方式进行模糊处理，该面板中的参数在建筑表现中不经常使用。

（1）Pre-filter：预过滤器，勾选的时候，在渲染前灯光缓存中的样本会被提前过虑。他与下面介绍的filter是不一样的filter是在渲染中进行的。Pre-filter的工作流程是，一次检查每一个样本，如果需要就修改它，以便其达到附近样本数量的平均水平。更多的预过滤样本将产生较多的模糊和较少的噪波的灯光缓存，如果新的灯光缓存从硬盘上导入或被重新计算后，Pre-filter就会被计算。

（2）Filter：（过滤器），这个选项可以选择灯光缓存在渲染过程中使用的过滤类型，分别为None，Nearest，Fixed。过滤器是确定在灯光缓存中以内插值替换的样本是如何发光的。

① None：不使用过滤，关闭后最靠近着色点的样本被作为发光值使用，关闭后速度最快，但是如果灯光缓存具有较多的噪波，那么模型的转角地方会出现明显的黑斑，可以通过修改Pre-filter数值减少噪波如果只是测试使用的话 none是最快的。

② Nearest（最靠近的）：这种模式过滤器会搜索最靠近着色点的样本，并取他们的平均值。他对于使用灯光缓存次级反弹的时候是有很大作用的。他的特点是可以自适应灯光缓存的样本密度，并且几乎是以一个恒定的常量来计算的，灯光缓存中有多少最靠近的样本被搜寻是由插补样本的参数来控制的。

③ Fixed（固定的）：使用这种模式过滤器会搜寻距离着色点某一确定距离内的灯光缓存的所有样本，并取平均数值。他可以产生较平滑的效果，其搜寻距离是由过滤尺寸参数决定的，较大的取值可以得到模糊的效果。

（3）Use Light Cache for glossy rays：打开后会让灯光缓存和光泽效果一同进行计算，这样有助于加速光泽反射效果。选择后会有微弱的变化。

（4）Number of passes: 如果CPU不是双核，笔者建议设置该参数为1。


3. Mode：面板是我们常用的面板 如图它类似于Irradiance map的Mode的功能，他是可以把灯光缓存计算保存为×.Vrlmap的文件。一般我们在出正式大图之前会先渲染一个小分辨率下的Vrlmap文件，然后在渲染大图时候调用，以便达到缩短渲染时间的效果，如图5-61所示。
  

图5-61  Mode面板

渲染小图储存Vrlmap文件时可以勾选Auto save选项，设置一个储存路径如图5-62所示。



图5-62  自动储存Vrlmap文件

这样在渲染完小图之后渲染大图时就可以在From file调用Vrlmap文件，这样可以最高效率，如图5-63所示。



图5-63  调用Vrlmap文件