루멘으로 리얼타임 글로벌 일루미네이션을 구현한 포트나이트 배틀로얄 챕터 4

포트나이트 배틀로얄에는 다이내믹 라이팅을 필요로 하는 게임 이벤트가 많습니다. 하루의 시간이 흐르고, 플레이어가 구조물을 만들거나 부술 수 있고, 문을 열 수도 있습니다. 루멘은 완전히 다이내믹하여 이러한 변화에 실시간으로 반응합니다. 루멘은 비용을 낮추기 위해 여러 프레임을 거쳐 분할 연산합니다. 이로 인해 발생할 수 있는 템포럴 누적 아티팩트는 포트나이트에서 목표로 하는 높은 프레임 레이트를 달성해 최소화합니다.

챕터 4를 향한 여정

언리얼 엔진 5.0 출시를 마무리한 뒤에는 포트나이트 배틀로얄 챕터 4에 주목했습니다. 포트나이트는 콘솔에서 최소 60fps를 목표로 하며, 이는 프레임당 16.67밀리초에 불과합니다. 격렬한 전투 도중에는 다이내믹 해상도와 게임플레이 비용을 위한 여분이 필요하므로 그보다 더 줄어듭니다. 원하는 렌더링 기능을 모두 고려하면 다이내믹 글로벌 일루미네이션 및 리플렉션에는 단 4밀리초밖에 남지 않습니다. 대단히 적은 예산입니다. AAA급 게임에서는 레이 트레이스드 리플렉션에만 4밀리초를 할당하는 것이 일반적입니다. 주어진 모든 최적화를 활용하면서 차세대 라이팅의 퀄리티가 저하되지 않도록 신경 썼습니다.

먼저 포트나이트 배틀로얄 챕터 4에 사용할 레이 트레이싱 메서드를 결정해야 했습니다. 이미 콘솔에서는 하드웨어 레이 트레이싱을 사용하여 루멘과 함께 매트릭스 어웨이큰스: 언리얼 엔진 5 익스피어리언스를 출시하면서 상당한 최적화를 달성한 적 있지만, 그 테크 데모의 예산은 30fps였습니다. 초기 테스트 후에 저희는 낮은 트레이싱 비용으로 인해 60fps를 달성하려면 루멘의 소프트웨어 레이 트레이싱이 필요하다고 판단했습니다. 그러나 소프트웨어 레이 트레이싱의 특징인 근사 추정적 방식 때문에 몇 가지 어려움이 발생합니다. 특히 폴리지 퀄리티와 물 리플렉션이 그렇습니다.

포트나이트 배틀로얄 챕터 4에는 숲이 있고, 잔디로 뒤덮인 구릉지가 있습니다. 저희가 루멘을 적용하여 출시했던 프로젝트 가운데 이만큼이나 폴리지가 많은 것은 없었기 때문에 이런 작업을 해 볼 기회가 없었습니다. 주된 문제 중 하나는 폴리지의 과도한 오클루전이었습니다.

루멘의 소프트웨어 레이 트레이싱은 글로벌 부호화 디스턴스 필드(Global Signed Distance Field)를 사용하여 씬의 표면을 나타냅니다. 부호화 디스턴스 필드는 불투명한 표면만 나타낼 수 있으며, 레이 마칭하면 바이너리 결과, 즉 히트 또는 미스가 제공됩니다. 이로 인해 군집으로 모델링된 폴리지 메시에서 매우 심한 오클루전이 나타납니다. 저희는 부호화 디스턴스 필드를 교차할 새로운 방법을 개발했습니다. 레이 마칭의 단계마다 교차 여부를 선택하는 방법입니다. 이는 확률적인 기법으로, 부호화 디스턴스 필드가 나머지 씬에 계속해서 잘 작동하도록 유지하면서 군집 지오메트리를 더욱 정확히 모델링할 수 있었습니다.

어떤 퀄리티 개선 사항은 예상치 못한 수확이었습니다. 루멘 GI는 4밀리초 예산에 맞추기 위해 강한 다운샘플링을 수행합니다. 이는 노이즈를 보다 두드러지게 하여 게임 경험에 방해가 됩니다. 저희는 NVIDIA의 스페이시오템포럴 블루 노이즈(Spatiotemporal Blue Noise)를 사용하여 노이즈를 크게 줄였습니다. 노이즈 패턴을 사전에 최적화하여 여러 프레임에서 누적됐을 때 빠르게 상쇄하는 기법입니다. 이를 통해 더 많은 빛을 추적하지 않고도 훨씬 깔끔한 간접광을 얻을 수 있었습니다.

포트나이트 배틀로얄 챕터 4를 만들 때는 루멘 GI를 여러모로 조금씩 최적화했지만, 전체 메서드를 비동기 연산 파이프라인으로 옮겼을 때는 0.8밀리초나 절감되며 속도가 가장 크게 향상되었습니다. 루멘에는 다양한 알고리즘을 위한 여러 연산 디스패치가 있으며, 그 사이사이에 GPU가 유휴 상태가 되는 시간이 잠깐씩이지만 누적되어 영향을 줄 수 있습니다.

또한 레이 트레이싱 디스패치에서는 일부 레이가 나머지보다 완료되는 데 오래 걸리면서 지연을 유발하는 경향이 있습니다. 이 작업을 비동기 연산 파이프라인으로 옮기면 GPU가 나머지 프레임 작업과의 격차를 메워 GPU의 프로세싱 기능을 더 잘 활용할 수 있습니다. 필요했던 수정 사항 중 일부가 UE 5.1 출시까지 완료되지 못했기 때문에, 비동기 루멘이 콘솔에서 디폴트로 활성화되는 것은 UE 5.2부터입니다.