Directional Light Map(Directional Irradiance)

Light Map是一个比较经典的技术，目前来说应该是一般游戏引擎中的标配，它很好的在一种拟全局光效果的质量和效率上做了中和。不过目前用的更多、质量更好的应该是Directional Light Map，它是原始LM的增强版，通过在预处理与实时还原中考量场景中表面的法向量进而增强效果。DLM的基本操作方法如下：

• 在采样点处把其半球空间中的辐射照度用某种方法进行采集并保存（比如离线的光线跟踪）；
• 以某种方法存储额外的、与该辐射照度相关的法线信息到光照贴图中；
• 实时渲染中通过光照贴图对像素上的场景辐照度进行还原（结合光照信息与方向信息）。

目前常用的DLM实现方法主要有三种：

Radiosity Normal Maps

该方法最早是在Valve的Source引擎中用的一种模式，它的原理应该是一种拟信号压缩与重建的方法：

• 在采样点处选取三个正交的采样方向作为基方向，采样得到这些方向上的光照信息并保存（压缩）；
• 实时渲染中通过三个方向及其上的光照值做为基函数，对实际表面法向上的光照值进行还原（重建）。

其中的三个基方向（表面法向所在的局部切空间，如下图示）分别为：

，  ， 

对应的还原计算为：

Valve的这种方法应该说还是很不错的，虽然数学理论依据不太充分，但至少看起来效果很不错，而且实现简单，效率较高。不过其也会出现一些问题，那就是当法线的方向与采样光照的主方向夹角较大（即与采样切平面的夹角较小时）容易出现一些不太正确的光照还原。

Dominant Directional Irradiance

该方法的原理可以是看作将采样点半球空间中的辐照信息处理为一个方向光（Directional Irradiance），这样在实时渲染中就可以使用反射模型进行快速还原；其中的Dominant axis就可以看作是指该平行光的方向。其操作如下：

• 外理采样点外部辐照信息为：方向光（方向：L，颜色：C_L）；
• 渲染中直接反射模型模型来还原 。

比如使用Lambert模型时对应的还原计算为：

 

 

另外，一般情况下也会使用方向贴图的空闲的Alpha通道来存储一个缩放因子，用其来控制该点上外部辐照度的方向性（即被dominant方向影响的力度）。当然，这里也可以使用其它更复杂的一些shading model来操作，不过Lambert已经足够了。该方法的计算量相对也比较小；存储空间也比较节省，只需要在传统LM的基础上 再存储一张方向贴图就可以了（目前来说该方法较为流行，比如UE或Enlighten中就使用此方法）。

Spherical Harmonics

该方法与Radiosity Normal Map的方法类似（同样与Light Probe的原理类似），只不过这里使用了理论与数学依据更为充分的球谐函数来实现外部辐射照度信息的压缩与重建：

• 把光照函数使用球谐函数进行变换存储（压缩）；
• 实时渲染中使用时直接利用SH重建进行还原即可（还原）。

这种方法比上述两种方法都更为高级，一般来说对于任意Normal上的照度信息都能正确还原，而且适应性较强，较为灵活；但同时有很大的缺点那就是存储空间较大（其LM中每个Pixel中存储的数据量相当于一个Light Probe对应的存储的内容），因而其应用范围就有所限制。

下述是LM与DLM的简单效果对比，差异还是相当明显的：