UE 真实灯光环境设置

domehall 2024-11-13

工作中需要制作基于物理的标准环境，于是学习并整理出此篇文档。

1 理论

成像的三个要素 （我自己编的）：光源、物体表面（材质）、人眼（相机）

想排除物体表面的影响，搭建物理正确的光照环境，只需管理光源，其次是相机

1.1 光度学

物理量 单位
发光强度（Luminous Intensity） 坎德拉（Candelas，cd）
发光通量（Luminous Flux） 流明（Lumens，lm）
亮度（Luminance） 尼特（Nit）= cd/m^2^
照度（Illuminance） 勒克斯（Lux）、英尺烛光（Foot Candles，fc）

本次讨论重点在于

  • 亮度（Luminance）：一个着色点朝一个方向（朝屏幕像素点的方向）出射的光线有多强
  • 照度（Illuminance）：一个着色点在法线半球的所有方向收到的所有光线有多强

1.2 摄影学

光比：被摄物体向光面和背光面的亮度比值；或者，主光灯和补光灯的强度比值

光比示例

曝光：

ExposureExposure Value

  • EV = Exposure Value：代表摄像机的快门速度和光圈（F 数）的组合值

  • EV 本质上是曝光的度量值，使得产生相同曝光水平的快门速度和 F 数的所有组合具有相同的 EV

  • EV100：使用 ISO = 100 胶片时的 EV

中灰：sRGB 119（0.46），sRGB Linear 0.18（反射率 18%）

Grey Card

校准曝光：使用中灰材质的板子（灰板），使灰板面向光源，相机测光点对准灰板，调整曝光，使得中灰材质在相机图像内为中灰亮度

自动曝光：使相机图像平均亮度为中灰亮度

  • 场景越亮，相机内平均亮度达到中灰亮度所需要的 EV100 就越高

1.3 人眼视觉

  • 浦肯野效应：从昼视觉向夜视觉转变时，人眼对光的最大敏感性向高频（蓝光）方向移动，此时场景中的蓝色部分在人眼视觉中更明亮
    • 因为是视觉改变而不是环境改变，所以相对严谨的模拟方式是通过相机后期来模拟，比如将色彩平衡调整为偏蓝

浦肯野效应

  • 和自动曝光范围很大的相机不同，人眼的亮度适应区间相对较窄，不会把任何亮度的场景都适应到中灰亮度

2 真实世界的数据

  • 来源见文末“参考”一节
  • 这些都是网络上获取的真实测量数据，只建议作为基准参考，不需要严格对标

2.1 照度、EV100 和光比

  • 经验 EV100：仅代表对应场景在此 EV100 下看着舒服（符合人眼），不代表自动曝光值
  • 光比：随氛围变化，可视为范围内最值
场景 测光板的照度（lux） 经验 EV1OO 光比
正午时晴朗无云的室外（自然光） 110000 ~ 120000 14 16：1
正午时多云晴天或者晴天阴影处的室外（自然光） 20000 10 ~ 12 2.5 : 1
阴云密布的室外（自然光） 1000 ~ 2000 10 1.65:1
日落黄昏时的室外（自然光） 400？ 7 ~ 12  
夜晚时的室外（自然光） < 1 -6 ~ -2  
夜晚时的室外（城市内人造光源） 30 5 ~ 8  
办公室、家庭类型的室内 100 ~ 750？ 5 ~ 8  
展厅、体育场、舞台类型的室内 ？ 8 ~ 11  

上表为个人总结，照度一列有部分不明确的地方（以问号标注），如果网上有更可靠的数据库，参考它们也是可以的

2.2 人造光源

人造光源类型 光源发光通量（lm）
烛光 12
小型装饰灯 < 100
装饰灯 200 ~ 300
普通房间的吸顶灯 400 ~ 800
大型房间的吸顶灯 800 ~ 1200
路灯 1000 ~ 40000

3 引擎中的实现

基本思路：

【固定曝光】→【确定光源】→【调整相机后期】

  1. 根据相机 EV100 的经验取值固定 EV100

  2. 确定光照方案后，按以上真实测量数据确定所有光源的强度（以达成目标照度、光比）

  3. 恢复到自动曝光并调整自动曝光，比如调整曝光补偿曲线，以达到符合人眼感知的结果而不是相机自动曝光结果；视情况调整其他后期参数，如白平衡等

    • 这一步算视觉调整，并不影响灯光环境本身的真实物理性，“摄影创作中没有正确只有合适”

3.1 引擎设置

  • Extend Default Luminance 开启

  • Pre-Exposure 开启

3.2 固定 EV100

预先固定 EV100 ，防止”受被摄物影响的自动曝光”或”不合适的 EV100”影响打光时的感官判断

可以在视口里设置，也可以直接在后期盒子里固定

视口视图设置 EV100

3.3 确定光源

3.3.1 如何在引擎内测光

高强度利用 showflag 中的 HDR (Eye Adaptation) 视图，打开方式：视口左上角 Show > Visualize > HDR（Eye Adaptation）

HDR (Eye Adaptation) 视图

  1. 各种值列表
  2. 照度计和亮度计（其中照度计只在 UE5 之后有）
  3. 直方图、代表曝光取值的竖线、映射曲线

测照度：

  1. 在场景中放置一个面朝定向光的面片作为测光板，测光板的材质：Basecolor= 1（纯白色），Metal = 0，Specular = 0，Rough = 1（全漫反射）

  2. 打开 HDR 视图，观察测光板上的 Illuminance（上方第一个探针的值），该值代表当前整个法线半球方向对此测光点的照度，单位 Lux

  • 注：测照度时要注意周围场景的开阔程度影响

测光比：

  1. 在场景中放置一个面片和一个圆柱体（一般用全漫反射中灰材质），放置于定向光直射下

  2. 在 HDR (Eye Adaption) 中观察这个装置的亮面和暗面的 Luminance，二者比值即为光比（并不严格）

3.3.2 确定光照方案

根据 UE 的天空大气计算和 skylight 捕捉范围，我们可以遵循这样的思考流程来确定自然光照方案（人造光方案见 3.3.5 节）：

UE 自然光光照方案

  • 2025.12 更新：到最近一份工作才发现，在捕捉天光时，可以用另一套完全不同的光照环境作为捕捉天光专用环境，去抓一个静态的 cubemap 给 skylight 组件采样，这种情况下天光强度完全受捕捉天光专用环境下的天空球材质、天空大气、大气太阳光等影响，我们可以通过调整这个捕捉天光专用环境来调整天光强度

3.3.3 天光（Sky Light）

除间接光外，室外照度主要受定向光和天光共同影响，暗部受天光影响，亮部受定向光 + 天光影响，所以建议先确定天光

天光的 Intensity Scale 要通过测光确定，以达到符合要求的照度和光比

  • 对于 HDRI 天光，建议 Intensity Scale 基于 power(2, EV100) 调整

    • 因为在 UE 中，最终的 HDRI 天光强度 = Sky Light Intensity * HDR 图像采样出的线性值，而 UE 对 HDR 图像的采样基于 EV100 = 0

  • 对于捕捉的天光，建议 Intensity Scale 先取 1，调整定向光后，再回来调整天光，Intensity Scale 基于 1 微调

    • 2025.12 更新：这里讨论的是“天光直接捕捉当前光照环境”的情况；如果采用捕捉天光专用环境的方案，那么 Intensity Scale 完全可以保留为默认的 1，天光强度由捕捉天光专用环境调整

可在 showflag 中打开 Visualize SkyLigfht Illuminance 观察当前的天光采样结果

3.3.4 定向光（Directional Light）

定向光的调节和是否作为大气太阳光相关：

  • 定向光不作为大气太阳光时，主要调节：强度、色温、Source Angle（控制光质）

  • 定向光作为大气太阳光时，主要调节：强度

    • 强度的调节也可由天空大气的 Mie Scattering & Mie Absorption 参数替代，自身保持日光/月光的默认强度值即可

    • 照到物体表面的色温由天空大气的吸收、散射过程自动计算

在制作真实环境 LookDev 时，如果参考数据：

  • 很充足，推荐定向光不作为大气太阳光，更可控（仅对于制作 LookDev 而言，实际引擎中有一部分功能和大气光有关，还是得用）
  • 不充足，就只能让定向光作为大气太阳光，依靠天空大气组件的计算决定色温等

UE 官方文档 SkyAtmosphere 的“其他注意事项”部分给出了日光、月光和大气设定的建议，可参考

3.3.5 人造光源（Local Light）

真实世界 引擎内
室内照度受房间大小和灯泡个数影响，宽敞高大的室内会打很多灯来照明 如果项目内有很高很宽敞的房间，就没法用一两个真实灯泡亮度的光源去照亮；在引擎里，从性能考虑，不会真的暴力地去打很多个光源来还原
光源衰减距离是无限的 直接光衰减距离有限

解决办法：把单个光源视作很多个灯泡的集合，打灯后可以补光

——因此没有必要去给所有光源开反比平方衰减来追求物理性，只给实际作为一个灯具照明的光源开反比平方衰减就可以了（一般是装饰灯）

考虑到投影问题，只给主光源开投影

最终室内照度在合理范围内即可（测照度的点在人高度附近）

3.4 调整相机后期

  1. 恢复到自动曝光
    • 相机自动曝光算法是把所有场景都自动调节成中灰亮度，在场景过暗或过亮时会出现不符合人眼视觉经验的结果（该暗的时候没有暗下去，该亮的时候没有感觉很亮），所以在自动曝光的基础上我们还需要继续调整
  2. 模拟人眼视觉
    • 在自动曝光的基础上，调整曝光
      • 要符合人眼视觉经验
      • 建议用曝光补偿曲线调整
    • 调整白平衡
    • ……

一些模拟人眼视觉的例子：

  • 模拟人眼对晴天等过亮环境的感知：曝光补偿 + （即 EV100 数值 -）
    • UE 默认设置的曝光补偿 +1：讨好明亮场景下的人眼视觉效果
  • 模拟人眼对夜晚等过暗环境的感知：曝光补偿 - ，白平衡调低

另外，在这里强调：光源强度确定后，基本上所有视觉上过亮或过暗的问题都是曝光问题，不要再去调整光源强度

  • 比如，在开启全局光照的情况下，室外正午晴天，室内无光源，视点位于室内，用未调整的自动曝光的相机观察室内场景，会感觉太亮——这并不是光照出问题，是曝光出问题
  • 所以前期打光时固定曝光很重要，不要被自动曝光欺骗 （・∀・）

对于 LookDev，出于资产检查的需求，还是需要固定曝光，不能让 EV100 的值有变化而掩盖掉材质本身明度的问题

Tips

为什么大部分项目都可以不采用这套真实物理的光照数值？

光的强度数值可以随 EV100 一起缩放而保持视觉效果不变（不考虑雾效等额外的亮度）

  • 缩放规律：EV100 + 1，光强 * 2

  • 举例：一个 EV100=14，HDRI 天光强度 = 1 * pow(2, 14) = 16384，定向光强度=120000 lux 的环境，等同于 EV100 = 0，HDRI 天光强度= 1，定向光强度= 7.3 lux 的环境

对于一般打光流程，只要能保证先固定 EV100（随便固定成哪个值，一般取 EV100=0）然后再打光（根据视觉感受调整光照数值），再调整自动曝光，也是能达到视觉上合理的光照的

只是，使用这套真实物理的光照环境/规则，有一些好处：

  • 对相机和画面的调整可以直接沿用摄影圈经验

  • 退一步讲，在宽曝光范围的规则下打光，你会收获：高对比、长影调、过曝感、强烈视觉感受

    • 比如，室内打光时固定 EV100=7，而室外打光时固定 EV100=12，最终效果是室内外有足够高的对比，从暗的室内看亮的室外会有很强烈的视觉感受，亮部有过曝感
    • 在这样的打光过程中，我们不知不觉地就为一些视角下的画面（比如从室内看室外）打造了一个很宽的直方图，影调足够长，所以视觉感受足够强烈
    • 但这也要从项目需求出发，比如多人射击 pvp 项目一般不会允许室内外对比太强烈
    • （如果你加入了一个已经开始很久了的项目，发现灯光师和灯光 TA 对于各种天气、时段、区域的 EV100 值完全没有规定，那得好好思考一下为什么会这样了）

不想用网络参考数据来回调整，想用实景拍摄结果去 match？

一个更深入的话题……在这里放一篇 notion 笔记：Enabling a Look Development Workflow for UE4，内容包括：前期工具准备、拍摄布景、图像处理、UE 内虚拟环境匹配拍摄结果

问题记录

  • 自发光特效材质：
    • 如果项目在中途改用此设置，此时应该会发现绝大部分特效材质都没有使用 eye adaptation——这导致使用真实物理光照时，在非常亮的日光导致的高 EV100 曝光下，会看不见发光特效，或者白色的烟雾变黑，解决办法就是给特效材质用上 eye adaptation
  • 后期全屏特效材质：
    • 在 blendable location 和材质节点中都要谨慎使用 scene color
    • 因为使用物理光照设置后，scene color 是线性的反射光强，不再是所见即所得的颜色（事实上也本来不是，只是光强度小的时候问题不明显），日光下直接数值爆炸，对 scene color 还要 blend 一层自发光颜色的话曝光结果就坏掉了
    • 如果只是想对所见即所得的颜色进行处理，应该使用 tone mapping 之后的颜色，blend location 也要选 after tone mapper 或者之后的

参考

五星级资料，看完武功大成

摄影圈知识

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数据参考