Virtual Shadow Maps in Unreal Engine 5: Schattenleitfaden für Architektur

Das Virtual-Shadow-Maps-System (VSM) von Unreal Engine 5 wurde entwickelt, um in Projekten mit Nanite-Geometrie detaillierte Schatten zu erzeugen. In Archviz-Szenen erfordert die Wahl der passenden Methode, Lichtbeweglichkeit, Schattenweichheit und Performancekosten gemeinsam zu bewerten. Dieser Leitfaden auf Grundlage der offiziellen Dokumentation von Epic Games behandelt die grundlegende Einrichtung und die wichtigsten Prüfschritte für Unreal Engine 5.

1. Schattenmethode und Lichtbeweglichkeit festlegen

1. Öffnen Sie in den Projekteinstellungen den Bereich Engine > Rendering und dort Direct Lighting. Mit der Option Shadow Map Method legen Sie fest, ob das Projekt Virtual Shadow Maps oder herkömmliche Shadow Maps verwendet. In neuen Projekten ist VSM die Standardmethode. Bei Projekten, die vor Unreal Engine 5.0 erstellt wurden, müssen Sie VSM in den Projekteinstellungen oder über die Konsolenvariable r.Shadow.Virtual.Enable aktivieren.

2. Prüfen Sie, ob die Szene Nanite verwendet. VSM wurden für den Einsatz mit Nanite entwickelt und sind möglicherweise keine geeignete Option für ein Projekt oder eine Zielplattform ohne Nanite. In Projekten mit Nanite werden herkömmliche Shadow Maps für Stationary-Lichter nicht unterstützt; in diesem Fall sollten Sie Movable Lights oder VSM verwenden.

3. Wählen Sie die Mobility der Lichter passend zu den Anforderungen der Szene. Die Beleuchtung durch Static-Lichter wird vorab in Lightmaps gebacken. Bei aktivierten VSM werden die direkte Beleuchtung und die Schatten von Stationary-Lichtern dynamisch berechnet, während indirekte Beleuchtung aus vorhandenen Lightmaps erhalten bleibt. Movable-Lichter kommen für dynamische Schatten zum Einsatz. Die Beweglichkeit lässt sich für jedes Licht separat festlegen.

Diese Unterscheidung erleichtert die Entscheidung, welche Beleuchtung in einer Innenraumszene vorab berechnet werden soll und welche sich während der Arbeit oder des Spiels ändern muss. Wählen Sie den Lichttyp nicht allein nach dem Aussehen des Schattens aus, sondern berücksichtigen Sie auch den Bedarf an Echtzeitberechnungen.

2. Weiche Schatten über die Lichtquelle steuern

1. Prüfen Sie die Eigenschaften, die die Größe der Lichtquelle bestimmen. Bei lokalen Lichtern beeinflusst Source Radius, bei gerichteten Lichtern Source Angle die Weichheit der Schatten. Je größer Quellwinkel, Radius, Höhe oder Breite sind, desto weicher werden die Schatten der Objekte, die von diesem Licht beeinflusst werden. Bei lokalen Lichtern ist der Quellradius standardmäßig null; bei gerichteten Lichtern ist der anfängliche Winkel klein.

2. Shadow Map Ray Tracing (SMRT) in Kombination mit VSM lässt Schatten in größerer Entfernung weicher erscheinen und unterstützt eine Kontakthärtung. Berücksichtigen Sie bei der Einstellung zuerst die Größe der Lichtquelle und anschließend die Qualitäts- und Performanceoptionen. Die folgenden Werte sind die in der offiziellen Dokumentation genannten Standardwerte oder empfohlenen Bereiche; sie stellen nicht für jede Szene die eine ideale Einstellung dar.

Die Variablen heißen r.Shadow.Virtual.SMRT.RayCountLocal und r.Shadow.Virtual.SMRT.SamplesPerRayLocal für lokale Lichter sowie r.Shadow.Virtual.SMRT.RayCountDirectional und r.Shadow.Virtual.SMRT.SamplesPerRayDirectional für gerichtete Lichter. Die Dokumentation nennt 4–8 als einen geeigneten Bereich für die Sample-Anzahl. Weniger Strahlen oder Samples können die Performancekosten senken, aber auch zu Rauschen im Halbschatten oder zu wenig weichen Schatten führen.

3. Auflösung, Szenenmaßstab und Performance gemeinsam bewerten

1. Betrachten Sie die VSM-Auflösung nicht als eine einzelne große Map, sondern als Seitensystem. Das System unterteilt die virtuelle Auflösung von 16K × 16K in 128 × 128 Pixel große Seiten; verarbeitet werden nur die Seiten, die für die Verschattung der Bildschirmpixel benötigt werden. Die Zwischenspeicherung von Seiten, die aus vorherigen Frames wiederverwendet werden können, trägt zur Performance bei. Bewegte Objekte oder Änderungen an Lichtern können dazu führen, dass die betreffenden Seiten ungültig werden.

2. Bei gerichteten Lichtern hält eine Clipmap-Struktur die Auflösung in Kameranähe hoch und deckt zugleich weiter entfernte Bereiche ab. Jede Clipmap-Stufe hat dieselbe Auflösung, und die nächste Stufe umfasst den doppelten Radius der vorherigen. Standardmäßig werden virtuelle Seitentabellen für die Stufen 6–22 reserviert. Die Grenzen dieser Stufen lassen sich mit r.Shadow.Virtual.Clipmap.FirstLevel und r.Shadow.Virtual.Clipmap.LastLevel ändern; beobachten Sie jedoch zunächst den Schattenbedarf in der Szene, bevor Sie die Einstellungen anpassen.

3. Berücksichtigen Sie, dass große lokale Lichter an Auflösungsgrenzen stoßen können. Spotlights verwenden eine einzelne 16K-VSM mit Mip-Kette, Point-Lichter eine Cubemap mit einer 16K-VSM pro Seite. Die Dokumentation empfiehlt, bei solchen großen lokalen Lichtern nach Möglichkeit gerichtete Lichter in Betracht zu ziehen. In Szenen ohne Nanite, etwa mit dichter Vegetation, können Distance Field Shadows bei gerichteten Lichtern außerdem die Kosten für Bereiche außerhalb der dynamischen Schattendistanz von Movable-Lichtern senken.

Die hohe Auflösung von VSM bedeutet nicht, dass jede Qualitätseinstellung kostenlos ist. Testen Sie Schattenqualität, Lichtquellengrößen und Szenenumfang gemeinsam. Laut Dokumentation kann eine geringere Auflösungs-Bias die Schattenauflösung verbessern, aber auch Performancekosten verursachen. Erhöhen Sie daher nicht die Auflösung in der gesamten Szene, bevor Sie den problematischen Bereich identifiziert haben. Prüfen Sie zuerst, welche Details an den jeweiligen Kamera- und Lichtpositionen tatsächlich erforderlich sind.

4. Archviz-Workflow und häufige Fehler

Für weichere Schatten in Innenraum-Renderings ist die Größe der Lichtquelle der erste Prüfpunkt – nicht in jedem Fall das Hinzufügen von Contact Shadows. Wegen der Auflösung und Genauigkeit von VSM ist die Funktion Contact Shadow für scharfe Kontaktschatten meist nicht erforderlich und kann weniger genaue Ergebnisse liefern als VSM-Schatten. Sie kann dennoch nützlich sein, um kostengünstiger Schatten von Objekten beizusteuern, die nicht in Shadow Maps gerendert werden.

Schatten von Static- oder Stationary-Lichtern, die im Level Editor während der Bearbeitung zu sehen sind, sind nur Vorschauen, wenn das Beleuchtungs-Baking noch nicht abgeschlossen ist; sie sollten nicht als endgültiges Ergebnis betrachtet werden. Starten Sie das Baking über Build > Build All Levels im Hauptmenü, um die Ergebnisse zu überprüfen. Die Dauer des Vorgangs hängt von den Hardwareeigenschaften, der Szenenkomplexität und weiteren Faktoren ab.

Häufige Fehler:

• In einem Projekt mit Nanite eine nicht unterstützte herkömmliche Schattenmethode für Stationary-Lichter wählen.

• Beim Erhöhen des Quellradius oder -winkels Halbschattenrauschen und Performanceauswirkungen nicht überprüfen.

• Vorschau-Schatten nicht gebackener Static- oder Stationary-Lichter für das finale Bild halten.

• VSM automatisch für jedes Projekt ohne Nanite als geeignet ansehen.

Der wichtigste Vorteil von VSM für Architektur-, Innenarchitektur- und Archviz-Teams besteht darin, dass sich mit Nanite-Geometrie detaillierte Schatten mit weniger manueller Anpassung nutzen lassen. Gleichzeitig müssen Zielplattform, Lichtbeweglichkeit, Nanite-Einsatz und Qualitätseinstellungen gemeinsam bewertet werden. Für Teams, die auf mehreren Rechnern arbeiten, macht es den Workflow besser vorhersehbar, die gewählte Methode in den Projekteinstellungen eindeutig festzulegen und bei Szenen, die ein Beleuchtungs-Baking erfordern, die abschließende Prüfung anhand des gebackenen Ergebnisses vorzunehmen.