Lumen introduce la iluminación global en tiempo real en el capítulo 4 de Fortnite Battle Royale

Fortnite Battle Royale tiene muchos eventos de juego que requieren iluminación dinámica: la hora del día cambia, los jugadores pueden construir y destruir estructuras o abrir puertas, etc. Lumen es totalmente dinámico y reacciona a estos cambios en tiempo real. A pesar de que Lumen amortiza los cálculos entre fotogramas para reducir el trabajo de procesado, la tasa de fotogramas por segundo a la que suele ir Fortnite es tan alta que los artefactos de acumulación temporal son mínimos.

El camino hasta el capítulo 4

Al rematar el trabajo para el lanzamiento de Unreal Engine 5.0, nos centramos en el capítulo 4 de Fortnite Battle Royale y en los desafíos que planteaba. La intención de Fortnite es llegar al mínimo de 60 fps en consolas, lo que supone que un fotograma dura tan solo 16,67 milisegundos, puede que incluso menos con margen para la resolución dinámica y los costes de juego en los momentos de combate. Teniendo en cuenta todas las características de renderizado que necesitamos, solo íbamos a tener cuatro milisegundos para combinar los reflejos y la iluminación global dinámica. Este margen es extremadamente pequeño, ya que, normalmente, los juegos triple A necesitan cuatro milisegundos solo para aplicar reflejos con trazado de rayos. Íbamos a tener que hacer tantas optimizaciones como fuese posible sin comprometer la calidad de la iluminación de nueva generación.

Lo primero que tuvimos que decidir fue qué método de trazado de rayos usaríamos para el capítulo 4 de Fortnite Battle Royale. Ya habíamos lanzado The Matrix Awakens: una experiencia en Unreal Engine 5 con Lumen, usando trazado de rayos de hardware en consolas tras haber realizado importantes optimizaciones. No obstante, esa demo técnica tenía un objetivo de 30 fps. Tras algunas pruebas iniciales, y puesto que tenía unos costes de trazado más bajos, determinamos que el trazado de rayos de software de Lumen debía alcanzar los 60 fps. Sin embargo, la naturaleza aproximada de trazado de rayos mediante software presentaba varios desafíos, sobre todo en lo que respecta a la calidad del follaje y a los reflejos en el agua.

El capítulo 4 de Fortnite Battle Royale contiene bosques y colinas repletas de hierba. Ninguno de los proyectos anteriores en los que introdujimos Lumen tenía una cantidad de follaje importante, por lo que aún no habíamos tenido la oportunidad de trabajar en esto. Uno de los grandes problemas fue la excesiva oclusión presente en el follaje.

El trazado de rayos mediante software de Lumen utiliza una distancia de campo con signo global para representar las superficies de la escena. Las distancias de campo con signo solo pueden representar una superficie opaca, y el ray marching (marcha de rayos) otorga un resultado binario: o bien hay impacto o no lo hay. Esto provoca una gran sobreoclusión en las mallas de follaje, las cuales se modelan como aglomerados. Por ello, desarrollamos una nueva forma de entrelazar distancias de campo con signo. Consistía en que, en cada paso de la marcha de rayos, se decidiese si iba a entrelazarse o no. De este modo se convirtió en una técnica estocástica y nos permitió modelar con mayor precisión la geometría agregada al tiempo que manteníamos la representación de la distancia de campo con signo que funcionaba bien para el resto de la escena.

Hubo otras mejoras de calidad que llegaron por sorpresa. La iluminación global de Lumen reduce la tasa de muestreo significativamente para ajustarse al margen disponible de cuatro milisegundos. Esto provoca que el ruido sea más perceptible y que interfiera en la experiencia del juego. Conseguimos reducir el ruido en gran medida al integrar la herramienta «Spatiotemporal Blue Noise» de NVIDIA, una técnica que optimiza previamente los patrones de ruido para cancelarlos rápidamente cuando se acumulan en varios fotogramas. Esta herramienta proporcionó una iluminación indirecta mucho más limpia sin necesidad de trazar más rayos.

Durante nuestro trabajo en el capítulo 4 de Fortnite Battle Royale, aplicamos muchas optimizaciones menores a la iluminación global de Lumen. No obstante, la mejora más importante se produjo al pasar todo este método al proceso de computación asíncrona, con lo que se ganaron 0,8 milisegundos. Lumen contiene muchos emisores de computación para sus diversos algoritmos y, aunque entre ellos la GPU se queda inactiva durante un breve período, al final todo acaba sumando.

Además, los emisores del trazado de rayos tienden a tener largas colas, en las que unos pocos rayos tardan mucho más en completarse que el resto. Mover este trabajo al proceso de computación asíncrona permite que la GPU llene los huecos con el resto del trabajo del fotograma. De este modo, se hace un uso más eficaz de la potencia de procesamiento de la GPU. Con UE 5.2, la asincronía de Lumen (Async Lumen) estará activada por defecto para consolas, ya que hubo que realizar algunas correcciones que no se pudieron implementar a tiempo en UE 5.1.