Lumen により、フォートナイト バトルロイヤル チャプター 4 でリアルタイム グローバル イルミネーションを実現

フォートナイト バトルロイヤル には、時間帯の変化、プレイヤーによる建造物の建設や破壊、ドアのオープンといったような、動的ライティングが必要となるゲーム イベントが多数あります。Lumen は完全に動的なので、これらの変化にリアルタイムで対応できます。Lumen はコストを削減するために複数のフレームにわたって計算を償却しますが、フォートナイト では高いフレームレート ターゲットが設定されているため、一時的な蓄積アーティファクトは最小限に抑えられます。

チャプター 4 への道のり

Unreal Engine 5.0 リリースの作業を終えたとき、焦点は フォートナイト バトルロイヤル チャプター 4 とその問題に向けられました。フォートナイト は、コンソールで最小 60 fps をターゲットにしていますが、これはフレームあたりわずか 16.67 ミリ秒となります。しかし、激しい戦闘中で動的解像度とゲームプレイ コストの余裕がある場合、ターゲットはさらに低くなります。必要なすべてのレンダリング機能を考慮すると、動的グローバル イルミネーションと反射を合わせた時間はわずか 4 ミリ秒でした。トリプル A ゲームでは、レイ トレーシングによる反射だけで 4 ミリ秒を費やすのが一般的であるため、このバジェットは非常に小さいことがわかります。チャプター 4 では、次世代のライティング品質を損なうことなく、あらゆる最適化を行おうと思っていました。

最初に決定すべき事項は、「フォートナイト バトル ロワイヤル チャプター 4 でどのレイ トレーシング方法を使用するか」ということでした。コンソールでは、ハードウェア レイトレーシングを用いた Lumen で The Matrix Awakens: Unreal Engine 5 のエクスペンス をシッピングしており、その際は 非常に多くの最適化を行いましたが、その技術デモのバジェットは 30 fps でした。初期テストをいくつか行った結果、Lumen のソフトウェア レイ トレーシングはトレース コストが低いため、60 fps のバジェットを達成する必要があると判断しました。しかし、ソフトウェア レイ トレーシングは大まかな結果を出力するという性質により、とりわけフォリッジと水の反射に関して、いくつかの問題が生じました。

フォートナイト バトルロイヤル チャプター 4 には、草で覆われた森となだらかな丘があります。Lumen をシッピングした以前のプロジェクトには目立つようなフォリッジがなかったので、その際はまだ問題にはなりませんでした。大きな問題の 1 つは、フォリッジのオーバーオクルージョンでした。

Lumen のソフトウェア レイ トレーシングは、グローバル符号付き距離フィールドを使用してシーンのサーフェスを表します。符号付き距離フィールドは不透明なサーフェスのみを表せます。そして、それらをレイ マーチングすると、ヒットまたはミスというバイナリ結果が出力されます。これにより、集約としてモデル化されたフォリッジ メッシュで深刻なオーバー オクルージョンが発生してしまいます。この問題に対処するため、符号付き距離フィールドを交差させるための新しい方法を開発しました。この方法では、レイ マーチングの各ステップで交差するかどうかを選択します。これにより、確率的な手法となり、シーンの残りの部分で適切に機能する符号付き距離フィールドの表現を維持しながら、集約ジオメトリをより正確にモデル化できるようになりました。

その他の品質向上は予想外のものでした。Lumen GI は、4 ミリ秒のバジェットに収まるように大幅にダウンサンプリングします。これにより、ノイズがより目立つようになり、ゲーム体験の質が低下します。しかし、複数のフレームにわたってノイズが累積されたときに、そのノイズパターンを事前に最適化してすばやく除去する技術である NVIDIA の時空間ブルー ノイズ を統合することで、ノイズの大幅な削減に成功しました。これにより、光線をトレースする必要がなくなり、よりクリーンな間接ライティングを得られました。

フォートナイト バトルロイヤル チャプター 4 の作業中は、Lumen GI に対して細かい最適化を多く施しました。そのうち、最も大きく高速化に寄与したのは、メソッド全体の非同期計算パイプラインへの移動です。これにより、0.8 ミリ秒節約できました。Lumen には、さまざまなアルゴリズム向けにコンピュート ディスパッチが多数用意されています。これを使用する間、GPU は短時間アイドル状態になりますが、それらはすべて加算されます。

さらに、レイ トレーシング ディスパッチは、いくつかの光線がそれ以外の光線よりも長い時間をかけて完了する、ロング テールを持つ傾向があります。この作業を非同期計算パイプラインに移動することで GPU はフレームの残りの作業でギャップを埋められるので、GPU の処理能力をより有効に活用できます。UE 5.1 ではいくつかの修正が間に合わなかったため、Lumen の非同期的計算がコンソールでデフォルトで有効になるのは UE 5.2 からです。