Lumen ermöglicht globale Beleuchtung in Echtzeit im 4. Kapitel von Fortnite Battle Royale

Fortnite Battle Royale hat viele Spiel-Events, die dynamische Beleuchtung erfordern – die Tageszeit ändert sich, Spieler bauen und zerstören Gebäude, öffnen Türen und so weiter. Lumen ist voll dynamisch und reagiert in Echtzeit auf diese Änderungen. Lumen amortisiert seine Berechnungen über mehrere Bilder, um die Kosten zu verringern, aber durch die hohe Framerate, auf die Fortnite abzielt, werden über Zeit aufgebaute Artefakte minimiert.

Auf dem Weg zu Kapitel 4

Als wir die Arbeit an der Unreal Engine 5.0 zur Veröffentlichung beendeten, wandten wir uns dem 4. Kapitel von Fortnite Battle Royale und dessen Herausforderungen zu. Fortnite hat auf Konsolen mindestens 60 FPS als Zielwert, was pro Einzelbild gerade mal 16,67 Millisekunden zulässt, oder noch weniger mit Sicherheitspuffer für dynamische Auflösung und Gameplay-Kosten bei heftigen Kämpfen. Bedenkt man all die Rendering-Funktionen, die wir wollten, hatten wir für dynamische globale Beleuchtung und Reflexionen zusammengenommen gerade mal vier Millisekunden. Das ist ein extrem kurzer Zeitraum – die meisten AAA-Spiele verwenden vier Millisekunden allein auf Raytracing-Reflexionen. Wir mussten also jede uns zur Verfügung stehende Optimierung nutzen, ohne dabei Beleuchtungsqualität der nächsten Generation zu opfern.

Als Erstes mussten wir uns entscheiden, welche Raytracing-Methode wir für das 4. Kapitel von Fortnite Battle Royale nutzen wollten. Wir hatten bereits The Matrix Awakens: An Unreal Engine 5 Experience mit Lumen und Hardware-Raytracing auf Konsolen veröffentlicht und dabei signifikante Optimierungen durchgeführt, aber diese Tech-Demo war auf 30 FPS ausgelegt. Nach den ersten Tests konnten wir sicher sein, dass Lumens Software-Raytracing aufgrund seiner niedrigeren Tracing-Kosten nötig sein würde, um die 60 FPS zu erreichen. Aber die recht ungenaue Natur von Software-Raytracing stellte uns vor mehrere Herausforderungen – insbesondere was Vegetationsqualität und Wasser-Reflexionen anging.

Im 4. Kapitel von Fortnite Battle Royale sind Wälder und sanfte, grasbewachsene Hügel zu sehen. In keinem der bisherigen Projekte, die wir mit Lumen veröffentlichten, waren viele Pflanzen enthalten, daher hatten wir noch keine Gelegenheit, damit zu arbeiten. Eins der größten Probleme war zu hohe Verdeckung bei Vegetation.

Das Software-Raytracing von Lumen verwendet ein vorzeichenbehaftetes Distanzfeld, um die Oberflächen einer Szene zu repräsentieren. Vorzeichenbehaftete Distanzfelder können nur opake Oberflächen repräsentieren, und beim Ray Marching geben diese ein binäres Ergebnis: „Treffer“ oder „Verfehlt“. Dies führt bei Vegetations-Meshes zu viel zu hoher Verdeckung, da diese als Gesamtobjekt generiert werden. Wir entwickelten eine neue Art, vorzeichenbehaftete Distanzfelder überschneiden zu lassen – bei jedem Ray-Marching-Schritt wird entschieden, ob eine Überschneidung stattfindet. Dadurch wird es zu einer stochastischen Technik und ermöglicht es uns, die Gesamtgeometrie akkurat darzustellen, dabei jedoch gleichzeitig die Repräsentation durch das vorzeichenbehaftete Distanzfeld zu behalten, die für den Rest der Szene wunderbar funktioniert.

Andere Verbesserungen der Qualität kamen eher überraschend. Lumen GI führt ein enormes Downsampling durch, um die Zeitvorgabe von vier Millisekunden zu erfüllen. Dadurch wird Rauschen sichtbarer und kann das Spielerlebnis beeinträchtigen. Wir konnten dieses Rauschen stark verringern, indem wir NVIDIAs Spatiotemporal Blue Noise integrierten, eine Technik, die Rauschmuster vorab optimiert, um diese rasch loszuwerden, wenn sie über mehrere Einzelbilder ansteigen. Dadurch konnten wir sehr viel sauberere indirekte Beleuchtung generieren, ohne zusätzliche Strahlen verfolgen zu müssen.

Wir haben an Lumen GI eine Menge kleinerer Verbesserungen vorgenommen, als wir am 4. Kapitel für Fortnite Battle Royale arbeiteten, aber am schnellsten wurde der Prozess, als wir die gesamte Methode in die asynchrone Berechnungs-Pipeline verschoben haben und so 0,8 Millisekunden einsparen konnten. Lumen hat viele Berechnungsanfragen für verschiedene Algorithmen, zwischen denen die GPU kurz untätig ist. In der Summe kommt einiges zusammen.

Zusätzlich neigen Raytracing-Anfragen dazu, einen wahren Rattenschwanz nach sich zu ziehen, bei denen ein paar Strahlen wesentlich später fertig berechnet werden als der Rest. Indem wir diese Arbeit in die asynchrone Berechnungs-Pipeline verschoben haben, konnte die GPU die Pausen mit Berechnungen für den Rest des Bilds verbringen, wodurch wir die Rechenleistung der GPU besser ausnutzen konnten. Asynchrones Lumen wird auf Konsolen mit UE 5.2 standardmäßig aktiviert, da wir einige Anpassungen vornehmen mussten, die für UE 5.1 nicht rechtzeitig abgeschlossen waren.