始终还是硬件加速好 UE5 LUMEN 光线追踪技术的软硬加速区别

日前，EPIC 发布了 UE5（Unreal Engine 5）的早期访问版本，这是该公司的第五代游戏引擎，五表示这一代面向的三维游戏主机世代是第五代，例如 Xbox Series X、 Playstaton 5。

UE5 包含了多项重大更新，例如编辑器、渲染器、世界创建系统、动画特性、物理特性、游玩框架、音频特性以及性能更新等，其中我这里主要讨论的是渲染器新引入的 Lumen 全局照明和光线反射系统。

按照 Epic 的说法，Lumen 的全局照明和光纤反射系统首要目标是实现大规模开放世界下提供每秒 60 帧的性能，而次要目标则是可以在室内环境中提供每秒 30 帧的性能。Lumen 能以 8 毫秒的时间片实现 1080p 来全局照明和反射渲染，然后透过时间域超分辨率（Temporal Super Resolution）实现接近本机 4K 渲染的输出效果。

Lumen 支持两种光线追踪：软件光线追踪和硬件光线追踪，前者可以尽可能多的平台上执行，而硬件光线追踪需要显卡和系统支持。

在默认情况下，Lumen 的软件光线追踪是在 SDF（有符号距离场）几何体上进行，SDF 并非什么新的技术，它是以一种函数定义的几何体而非一个由大量精确顶点构成的模型。Lumen 的软件光线渲染品质非常依赖于这个 SDF 的品质：

左侧是三角形网面，右侧三个分别是 1.0、1.5、2.0 伸缩值的 SDF

如上图所示，1.0 伸缩值的 SDF 品质非常一般，和原三角形构成的网面差距很大，缺失了大量细节。2.0 也丢失很多细节，但是大致的结构是有一点点接近了。

按照 EPIC 的说法，Lumen 软件光线追踪存在的限制包括：

几何体限制：

• 只支持静态网面；
• 地形几何体目前尚未实现光线反弹，未来版本会加入相应支持。

此外还有多种限制，例如 SDF 无法表现极薄的几何体以及从后面观察的单网面，这些都需要一些额外的措施来予以解决。

相比之下，Lumen 的硬件光线追踪可以提供比软件光线追踪更多的几何体类型支持，例如蒙皮网格。

由于硬件光线追踪是对真正的三角形作求交处理，并且可以在射线集中的地方进行照明计算（而不是在质量较低的表面缓存上进行），因此硬件光线追踪还可以体现到更高的渲染品质。

目前 Lumen 在硬件光线追踪方面的主要问题是场景设置的开销较高，因此场景中的实例不能超过 10 万个。

从目前的资料来看，Lumen 的性能需求非常高，因此它高度依赖于时间域超分辨率（Temporal Super Resolution），只有透过该技术才能实现 1080p 下用 8ms 时间片完成 4K 输出效果。

我们预期真正的 UE5 游戏可能需要明年才能看到。