建筑游戏中无限数量灯光的照明原理是什么？

Question

建筑游戏中无限数量灯光的照明原理是什么？

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例如在《我的世界》中，您可以在任何地方放置火把，每个火把都会影响世界中的光照水平，并且您可以在世界中放置无限数量的火把/光源。我有99%的把握，火把的照明效果是由CPU处理并存储在每个方块中的，因此在渲染时，只需要将该特定方块的光值传递到着色器中，但由于这个原因，光源无法移动。如果您有一个可以放置可以移动的光源（点燃的箭头，带灯的矿车，发光的能量球）并且光照不是很简单（包括颜色），那么计算光照效果最有效的方法是什么。

从我的研究中，我发现了多种渲染、多种光照、动态创建具有不同数量光源的着色器以及使用for循环（由于展开无法使用uniforms）和静态光线图（这些可能仅用于静止的灯光）。是否有其他计算光照的方法，例如执行《我的世界》所做的操作，但允许移动光源，或者是否可以采用无限数量的光源，将它们数学组合成仅涉及少量光源的近似值（这是我想出的一个主意，但我无法弄清楚它如何完成）？

如果有帮助的话，我是一名在OpenGL（传统和现代）方面具有相当经验的程序员，因此您可以给我提供代码片段，尽管我在照明方面做得不太多，但简要的解释将不胜感激。如果您能指点我正确的方向，我也愿意做进一步研究！

- Matthew Ludwig

“由于展开，无法使用统一变量”是什么意思？平铺延迟渲染和正向+渲染是最强大的技术之一，但它们需要循环遍历包含灯光数量的统一变量。 - Jerem

据我所读，当编译着色器时，编译器会展开循环，因此在for循环中，您迭代的次数必须是一个常量。 - Matthew Ludwig

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这仅适用于WebGL 1.0和OpenGL ES 2.0。如果你的目标平台是PC，你将没有这个限制。 - Jerem

1个回答

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- Spektre · Accepted Answer

你的标题有些误导性，“无限光”意味着无限远处的定向光，就像太阳一样。我建议使用“无限数量的灯光”。以下是我所知道的一些方法：

(back) ray-tracers

它们可以本地处理任意数量的光源。光只是引擎中的另一个对象。如果光线击中光源，它只会采取光强度并停止递归。不幸的是，当前的图形硬件不适合这种渲染。有用于此类引擎的GPU增强引擎，但专门的图形硬件仍在开发中，尚未进入市场。内存要求与标准BR渲染没有太大区别，您仍然可以使用BR网格，但数学（分析）网格得到本地支持，并且更适用于此。
标准BR渲染

BR表示边界表示，这样的引擎（如OpenGL固定功能）只能处理有限数量的灯光。这是因为每个基元/片段需要完整的灯光列表，并且计算是基于每个基元或每个片段进行的。如果你有很多光，这将很慢。
- GLSL example of fixed number of light sources 请参见片段着色器
此外，当前的GPU对于存储灯光和其他渲染参数的统一变量（寄存器）具有有限的内存，因此可能会出现解决方法，例如将灯光参数存储在纹理中，并在GLSL着色器中的每个基元/片段上迭代所有这些内容，但是光的数量会影响性能，因此您受到目标帧速率和计算能力的限制。对于此项工作的额外内存要求仅为带有轻量级参数的纹理（每个光几个向量）。
光照贴图

它们甚至可以针对移动对象进行计算。复杂的光照贴图可以缓慢地计算（不是每帧）。这导致小的照明伪影，但您需要知道要查找的内容才能发现它。光照贴图和阴影贴图非常相似，并且通常同时计算。这里有一些简单的光照贴图和复杂的辐射贴图模型。
- 请参见Shading mask algorithm for radiation calculations
这些是：
- 投影2D贴图（难以实现/使用并且通常不太精确）
- 3D体素贴图（内存需求大但更容易计算/使用）
某些方法使用预渲染的Z缓冲区作为几何源，然后通过Radiosity或任何其他技术填充灯光。这些可以处理任意数量的光，因为这些贴图可能需要计算，它们经常在后台计算并偶尔更新一次。

快速移动的光源通常更新得更频繁，或者从贴图中排除并呈现为透明几何体，以产生光的印象。这需要的计算能力取决于计算方法，基本上是：
- 将相机设置为可见表面最大的位置
- 渲染场景并将结果处理为光/阴