Le Chapitre 4 de Fortnite Battle Royale adopte l'éclairage global en temps réel de Lumen

Dans Fortnite Battle Royale, de nombreux événements de jeu requièrent un éclairage dynamique : l'heure de la journée change, les joueurs peuvent construire et détruire des structures, ouvrir des portes, etc. Lumen est totalement dynamique et réagit à ces changements en temps réel. Lumen amortit ses calculs sur plusieurs images pour réduire leur coût, mais avec la fréquence d'images élevée visée par Fortnite, les artefacts d'accumulation temporelle sont minimisés.

Les défis du Chapitre 4

Une fois notre travail sur l'Unreal Engine 5.0 terminé, notre attention s'est portée sur le Chapitre 4 de Fortnite Battle Royale et les défis qu'il présentait. Fortnite vise une fréquence d'images minimale de 60 FPS sur console, c'est-à-dire seulement 16,67 millisecondes par image, et même encore moins si on garde un peu de marge pour la résolution dynamique et les coûts de gameplay lors des combats intenses. Au vu de toutes les fonctionnalités de rendu que nous voulions implémenter, nous n'allions disposer que de quatre millisecondes pour l'éclairage global dynamique et les reflets combinés. C'est un budget extrêmement limité, étant donné qu'il n'est pas rare pour les jeux triple A de dépenser quatre millisecondes rien que pour les reflets en ray tracing. Il allait falloir qu'on réalise toutes les optimisations possibles sans compromettre la qualité de l'éclairage de nouvelle génération.

La première décision que nous avons dû prendre concernait la méthode de ray tracing à utiliser pour le Chapitre 4 de Fortnite Battle Royale. Nous avions déjà publié La Matrice s'éveille : une expérience Unreal Engine 5 avec Lumen et le ray tracing matériel sur consoles. Cette démo technique incluait des optimisations conséquentes, mais disposait d'un budget de 30 FPS. Après nos premiers tests, nous avons conclu que le ray tracing logiciel de Lumen, moins coûteux, serait nécessaire pour tenir le budget des 60 FPS. Cependant, le caractère approximatif du ray tracing logiciel présentait plusieurs inconvénients, en particulier dans la qualité de la végétation et les reflets sur l'eau.

Dans le Chapitre 4 de Fortnite Battle Royale, on trouve des forêts et des collines recouvertes d'herbe. Aucun de nos précédents projets avec Lumen n'incluait de végétation notable, nous n'avions donc encore jamais travaillé dessus. L'un des principaux problèmes rencontrés était lié à la surocclusion de la végétation.

Le ray tracing logiciel de Lumen recourt à un champ de distance signé global pour représenter les surfaces de la scène. Les champs de distance signés ne peuvent représenter qu'une surface opaque et y faire défiler les rayons ne donne que deux résultats : touché ou manqué. En résulte une surocclusion prononcée des maillages de la végétation, modélisés sous forme d'agrégats. Nous avons développé une nouvelle façon d'intersecter les champs de distance signés : à chaque étape du ray marching, on choisit s'il y a ou non intersection. La technique en devient stochastique et nous permet de modéliser de façon plus réaliste la géométrie de l'agrégat tout en conservant la représentation du champ de distance signé qui fonctionne bien pour le reste de la scène.

D'autres améliorations de qualité sont arrivées par surprise. L'éclairage global de Lumen sous-échantillonne massivement afin d'entrer dans un budget de quatre millisecondes. Le bruit est par conséquent plus prononcé, ce qui nuit à l'expérience de jeu. Nous avons pu nettement réduire ce bruit en intégrant la technologie Spatiotemporal Blue Noise de NVIDIA, qui préoptimise les motifs de bruit pour les annuler rapidement lorsqu'ils s'accumulent sur plusieurs images. On obtient ainsi un éclairage indirect beaucoup plus net sans avoir besoin de tracer davantage de rayons.

Nous avons procédé à de nombreuses optimisations mineures pour l'éclairage global de Lumen en travaillant sur le Chapitre 4 de Fortnite Battle Royale, mais c'est en déplaçant l'intégralité de la méthode dans le pipeline de calcul asynchrone que nous avons gagné le plus de temps : 0,8 milliseconde. Lumen accumule de nombreuses demandes de calcul pour ses différents algorithmes, entre lesquelles le processeur graphique est brièvement inactif.

Par ailleurs, les demandes liées au ray tracing s'étendent souvent à cause de rayons dont le calcul est plus long. En faisant passer ce travail dans le pipeline de calcul asynchrone, le processeur graphique peut combler les trous avec les autres tâches de l'image, ce qui optimise l'utilisation de sa puissance de calcul. Lumen asynchrone sera activé par défaut sur console dans l'UE 5.2, puisque certaines corrections nécessaires n'étaient pas prêtes pour l'UE 5.1.