基础渲染系列（十六）——静态光照

本文重点：

1、渲染到光照贴图，并从中采样 2、让烘焙光和法线一起正常生效 3、使用光探针组

（温馨提示：本系列知识是循序渐进的，推荐第一次阅读的同学从第一章看起）

这是关于渲染的系列教程的第16部分。上次，我们渲染了自己的延迟灯光。在这一部分中，我们转到灯光贴图上来。

本教程使用Unity 5.6.0制作。

（烘焙光）

1、光贴图

执行照明计算非常昂贵。延迟渲染使我们可以使用很多灯光，但是阴影仍然是一个限制因素。如果场景是动态的，那么我们将不可避免地执行这些计算。但是，如果光源和几何物体都不变，那么我们可以只计算一次光源并重复使用它。这样的话就可以在我们的场景中放置许多灯光，而又不必在运行时渲染它们。也可以使用区域光，但这些区域光同样不能用作实时照明。

预计算的灯光到底可以产生多少变化呢？在本教程中，我们会一路把所有内容烘焙到光照贴图中。以确保不会有任何动态光照。

为了进行光照贴图的效果展示，创建了一个简单的测试场景，该场景具有一个提供阴影的简单结构，以及在其周围和内部放置的一些球体。一切都使用默认的Unity材质。

（光照贴图测试场景）

1.1 烘焙光

开始进行光照映射之前，请将唯一的灯光对象的“Mode”更改为“Baked”，而不是“Realtime”。

（烘焙主方向光）

将主定向光转换为烘焙光后，它将不再包含在动态光照中。从动态对象的角度来看，就不存在光了。唯一剩下的就是环境照明，它仍然基于主光源。

（不再有直接照明）

要实际启用灯光映射，请在照明窗口的“Mixed Lighting”部分中启用“Baked Global Illumination”。然后将“Lighting Mode”设置为“Baked Indirect”。尽管是间接光的名称，但它也包括直接照明。它通常仅用于向场景添加间接光。另外，请确保已禁用“Realtime Global Illumination”，因为我们尚不支持。

（Baked indirect 模式）

1.2 静态几何体

场景的物件都应该是固定的，并且永远都不应该动。要将其传达给Unity，请将其标记为静态。你可以通过启用检查器窗口右上方的“Static”切换来实现。

灯也必须标记为静态吗？

不是必需的。灯光仅需设置为适当的模式。

有各种各样的子系统关心物体是否是静态的。静态还有一个下拉菜单，你可以使用它来微调哪些系统将对象视为静态。现在，我们只关心光照贴图，但是将所有内容完全静态化是最简单的。

（静态物体）

还可以通过其mesh renderer的检查器查看和编辑对象是否出于光照贴图的目的是静态的。

（只对光照贴图生效的静态物体）

现在所有对象都是静态的，它们将包含在光照贴图中。

（用烘焙光的场景）

请注意，与使用实时照明相比，光照贴图的结果亮度较弱。那是因为缺少镜面光，它只是包含漫射光。因为镜面光取决于视角，也就是取决于相机。通常，相机是可移动的，因此不能包含在光照贴图中。此限制意味着光照贴图可以用于微弱的灯光和暗淡的表面，但不适用于强直射的灯光或闪亮的表面。如果要使用镜面光，则必须使用实时照明。因此，通常最终会混合使用烘焙光和实时光。

为什么我没有烘焙光？

要确保在需要时实际生成并更新了光照贴图，请在光照窗口底部启用“Auto Generate”。否则，需要手动生成新的光照贴图。

（自动生成光照贴图）

1.3 光照贴图设置

照明窗口包含专门用于灯光映射设置的部分。在这里，你可以在质量，尺寸和烘焙时间之间进行权衡。也可以在Enlighten灯光映射引擎和Progressive灯光映射器之间切换。后者以增量方式生成光照贴图，优先考虑场景视图中可见的内容，这在编辑时很方便。我在本教程中使用了Enlighten。

（默认的光照贴图设置）

在执行其他任何操作之前，请将“Directional”设置为“Non-Direction”。稍后我们将讨论其他模式。

（非定向光照贴图）

烘焙的灯光存储在纹理中。你可以通过将照明窗口从“Scene”切换为“Global Maps”模式来查看它们。使用默认设置，我的测试场景可以轻松放入单个1024×1024的贴图中。

（光照贴图）

Unity的默认对象都具有配置为光照贴图的UV坐标。对于导入的网格，你可以提供自己的坐标，或者让Unity为你生成它们。烘焙后，可以在光照贴图中看到纹理展开。它们需要多少空间取决于场景中对象的大小和光照贴图分辨率设置。如果一张放不下，则Unity将创建额外的贴图。

（光照贴图的分辨率会造成较大的差别）

哪个设置最好，取决于每个项目。你需要调整设置，直到达到良好的平衡。请注意，视觉质量还很大程度上取决于用于光照贴图的纹理展开的质量。缺失的纹理接缝会产生明显的失真。Unity的默认球体就是一个很好的例子。所以，它（球体）不适用于光照贴图。

1.4 间接光

虽然烘焙光意味着我们失去了镜面光，但我们获得了间接光。这是在到达我们的眼睛之前会从多个表面反弹的光。由于光线在拐角处反弹，因此本来会被阴影覆盖的区域仍会被照亮。间接光虽然无法实时计算，但可以在烘焙时加入反弹光。

为了清楚地看到实时照明与烘焙照明之间的差异，请将环境照明的强度设置为零。这消除了天空盒，因此所有光仅来自定向光。

（无环境照明，实时光VS光照贴图）

每次光子反弹，它都会失去部分能量，并被与其相互作用的材质融色。烘焙间接光时，Unity考虑到这一点。结果就是，物体会根据附近的物体进行上色。

（绿色的地板实时光VS光照贴图）

自发光表面也会影响烘焙的光线。它们成为间接光源。

（自发光地表实时光VS光照贴图）

间接光的特殊设置是环境光遮挡。这是指在角落和折痕中发生的间接光的阴影。这是一种人工增强，可以增强深度感。

（使用了环境遮挡）

环境光遮挡效果仅基于表面的隐藏程度。它不考虑光的实际来源。这并不总是有意义的，例如与发光表面结合使用。

（明显错误的环境光遮挡）

1.5 透明度

光照贴图最多可以处理半透明的表面。光线将通过它们，其颜色不会被它们过滤。

（半透明的顶）

cutout 材质也可以。

（cutout 顶）

但是，这仅在使用封闭表面时有效。当使用四边形等单面几何体时，不存在的一侧的光会损坏。当另一侧什么都没有时，这很好，但是在处理单面透明表面时会导致问题。

（四边形产生错误）

为了解决这个问题，你必须告诉灯光映射系统将这些表面视为透明。这可以通过自定义灯光映射设置来完成。可以通过Asset/ Create / Lightmap Parameters创建它们。这些资产允许你自定义每个对象的光照贴图计算。在这种情况下，我们只想表明我们正在处理透明对象。因此，启用“Transparent”。尽管它是“Precomputed Realtime GI ”部分的一部分，但它将影响所有烘焙的光。

（表示透明度）

要使用这些设置，请通过对象的网格渲染器检查器选择它们。你的资产名称将显示在“Lightmap Parameters”的下拉列表中。

（对透明四边形使用自定义参数）

将对象标记为透明还可以更改其对间接照明的作用。透明的物体使间接光通过，而不透明的物体则阻挡它。

2 使用光照贴图

现在我们知道了光照贴图的工作原理，我们可以将其支持添加到“My First Lighting Shader”中。此过程的第一步是对光照贴图进行采样。调整场景中的球体，使它们与我们的着色器一起使用白色材质。

（使用我们的白色材质的球体）

2.1 光照贴图着色器变体

当着色器应该使用光照贴图时，Unity将寻找与LIGHTMAP_ON关键字关联的变体。因此，我们必须为此关键字添加一个多编译指令。使用前向渲染路径时，仅在基本pass中对光照贴图进行采样。

使用光照贴图时，Unity将永远不会包含顶点光照。他们的关键字是互斥的。因此，我们不需要同时具有VERTEXLIGHT_ON和LIGHTMAP_ON的变体。

延迟渲染路径中也支持光照贴图，因此也应将关键字添加到延迟pass中。

2.2 光照贴图坐标

用于采样光照贴图的坐标存储在第二个纹理坐标通道uv1中。因此，将此通道添加到“My Lighting”中的VertexData。

光照贴图坐标也必须进行插值。因为它们与顶点灯互斥，所以两者都可以使用TEXCOORD6。

顶点数据中的坐标定义了用于光照贴图的网格的纹理展开。但这并没有告诉我们该展开的位置在光照图中的位置，也没有告诉我们其大小。我们必须缩放和偏移坐标才能得出最终的光照贴图坐标。这项工作类似于应用于常规纹理坐标的变换，只是该变换是特定于对象的，而不是特定于材质的。光照贴图纹理在UnityShaderVariables中定义为unity_Lightmap。

不幸的是，我们不能使用方便的TRANSFORM_TEX宏，因为它假定光照贴图转换定义为unity_Lightmap_ST，而实际上是unity_LightmapST。由于这种不一致，我们必须手动进行操作。

2.3 采样光照贴图

因为光照贴图数据被认为是间接光照，所以我们将在CreateIndirectLight函数中对其进行采样。当有光照贴图可用时，我们必须将它们用作间接光照的源，而不是球谐函数。

为什么要分配而不是添加到indirectLight.diffuse？

这表明光照贴图永远不会与顶点光照组合。

unity_Lightmap的确切形式取决于目标平台。它定义为UNITY_DECLARE_TEX2D（unity_Lightmap）。为了对其进行采样，我们将使用UNITY_SAMPLE_TEX2D宏而不是tex2D。我们稍后将说明原因。

（使用光照贴图的原始数据）

现在我们得到了间接照明，但看起来不对。那是因为光照图数据已被编码。颜色以RGBM格式存储或以半强度存储，以支持高强度光。UnityCG的DecodeLightmap函数负责为我们解码。

（使用解码后的光照数据）

3 创建光照贴图

虽然光照贴图似乎已经可以与我们的着色器一起使用，但这仅适用于我们简单的测试场景。当前，光照贴图器始终将我们的对象视为不透明和纯白色，即使它们并非如此。我们必须对着色器进行一些调整，甚至还要添加另一个pass来完全支持光照贴图。

从现在开始，对场景中的所有对象使用我们自己的着色器。默认材质将不再使用。

3.1 半透明阴影

光照贴图器不使用实时渲染管道，因此不使用着色器来完成其工作。当尝试使用半透明阴影时，这是最明显的。通过给它的色调的alpha分量设置为小于1的材质，使立方体顶面为半透明的。

（半透明的顶，错误的阴影）

光照贴图器仍将屋顶视为实心，这是不正确的。它使用材质的渲染类型来确定如何处理表面，这应该告诉我们我们的对象是半透明的。实际上，它确实知道屋顶是半透明的，只是将其视为完全不透明。发生这种情况是因为它使用_Color材质属性的alpha成分以及主纹理来设置不透明度。但是我们没有该属性，而是使用_Tint！

更糟糕的是，没有办法告诉灯光映射器要使用哪个属性。因此，要使光照贴图起作用，除了将_Tint的用法替换为_Color之外，我们别无选择。首先，更新我们的着色器的属性。

然后，为使着色器正常工作，我们还必须替换“My Lighting”中的相应变量。

同样处理“My Shadows”。

而且我们还必须调整MyLightingShaderGUI。

（半透明的立方体顶正确的）

3.2 Cutout 阴影

Cutout 阴影也有类似的问题。光照贴图器希望将alpha截止值存储在_Cutoff属性中，但是我们正在使用_AlphaCutoff。结果，它使用默认截止值为1。

（cutout 顶面不正确）

解决方案是再次采用Unity的命名约定。因此，替换该属性。

调整“My Lighting”以匹配新名称。

也更新“My Shadows”。

还有MyLightingShaderGUI。

（cutout 顶面正确的）

3.3 增加meta pass

下一步是确保光照贴图器使用正确的表面反照率和发射率。现在，一切总是纯白色的。你可以通过将地板变绿来看到此情况。它应该导致绿色的间接光，但仍然是白色。

（绿色的地板错误表现）

为了弄清楚对象的表面颜色，光照贴图器查找其光照模式设置为Meta的着色器通道。此过程仅由lightmapper使用，不包含在构建中。因此，让我们向着色器添加这样的pass。这是一个基本pass，不应使用剔除。将其代码放入新的My Lightmapping包含文件中。

现在我们需要确定反照率，镜面反射的颜色，平滑度和发射度。因此，将所需的变量和函数从“My Lighting”复制到“My Lightmapping”。为此，我们仅需要顶点位置和uv坐标。不使用法线和切线，但是需要顶点着色器中的光照贴图坐标。

我们可以按原样使用函数，但GetEmission除外。该函数仅在前向base pass 或延迟pass中使用时才起作用。在My Lightmapping中，我们可以简单地删除此限制。

这些函数仅在定义了适当的关键字后才起作用，因此请将其着色器功能添加到pass中。

3.4 顶点程序

顶点程序对于此过程很简单。转换位置并转换纹理坐标。

但是，我们实际上不是为照相机渲染，而是为光照贴图渲染。我们正在将颜色与光照贴图中展开的对象的纹理相关联。要执行此映射，必须使用光照贴图坐标而不是顶点位置，并进行适当的转换。

事实证明，要使它在所有机器上都可以使用，即使我们不使用顶点位置的Z坐标，也必须以某种方式使用它。Unity的着色器为此使用了一个虚拟值，因此我们将简单地做同样的事情。

3.5 片段程序

在片段程序中，我们必须输出反照率和自发光色。灯光映射器将通过执行两次pass来完成此操作，每个输出一次。为了方便，我们可以使用UnityMetaPass包含文件中定义的UnityMetaFragment函数。它具有UnityMetaInput结构作为参数，同时包含反照率和发射率。该函数将决定输出哪个以及如何对其进行编码。

UnityMetaInput也包含镜面反射颜色，即使它不存储在光照贴图中。它用于一些编辑器的可视化效果，这时我们将忽略它们。

UnityMetaFragment是什么样的？

unity_MetaFragmentControl变量包含一些标志，这些标志告诉函数是输出反照率颜色还是自发光颜色。也有用于编辑器可视化变体的代码，但我将其删除了，因为它与此处无关。

（间接光设置为0）

要获得自发光颜色，可以简单地使用GetEmission。要获得反照率，必须再次使用DiffuseAndSpecularFromMetallic。该函数具有用于镜面反射的颜色和反射率的输出参数，因此即使我们不在函数外使用它们，也必须提供这些参数。可以使用surfaceData.SpecularColor捕捉镜面颜色。

（间接光着色）

这适用于间接光，但是自发光可能尚未出现在光照贴图中。这是因为光照贴图器并不总是包含用于发光的pass。材质必须发出信号，表明它们具有发射光，有助于烘焙过程。这是通过Material.globalIlluminationFlags属性完成的。现在，让我们始终指示在编辑其发射时应该烘焙自发光。

3.6 粗糙的金属

现在，我们的着色器似乎可以正常工作，但是与标准着色器的结果不完全匹配。当使用平滑度非常低的有色金属时，这一点很明显。

（粗糙的绿色金属标准 VS 我们的着色器）

这个想法是，非常粗糙的金属应该产生比我们目前的计算结果更多的间接光。标准着色器通过将部分镜面反射颜色添加到反照率来对此进行补偿。它使用UnityStandardBRDF中的SmoothnessToRoughness函数确定基于平滑度的粗糙度值，将其减半并将其用于缩放镜面反射颜色。

SmoothnessToRoughness计算什么？

转换值为1减去平滑度值的平方。从平滑度到粗糙度的平方映射最终会产生比线性转换更好的结果。

（调整了反照率）

4 定向光照贴图

光照贴图器仅使用几何图形的顶点数据，不考虑法线贴图。光照贴图分辨率太低，无法捕获典型法线贴图提供的细节。这意味着静态照明将是平坦的。当使用具有法线贴图的材质时，这一点变得非常明显。

（使用法线贴图实时光VS光照贴图化）

4.1 定向

通过将“Directional Mode”改回“Directional”，可以使法线贴图在烘焙的光照下工作。

使用定向光照贴图时，Unity将创建两个贴图，而不只是一个。第一张图包含照常的照明信息，称为强度图。第二张地图称为方向图。它包含了大多数烘焙光所来自的方向。

（强度贴图和方向贴图）

当方向图可用时，我们可以使用它来对烘焙的光执行简单的漫反射着色。这使得可以应用法线贴图。请注意，只有一个光方向是已知的，因此阴影将是近似值。只要在强光下至少存在一个主导的光方向，结果就会看起来不错。

4.2 采样方向

当有方向性光照贴图可用时，Unity将寻找同时带有LIGHTMAP_ON和DIRLIGHTMAP_COMBINED关键字的着色器变体。无需手动为此添加多编译指令，我们可以在正向基本传递中使用#pragma multi_compile_fwdbase。它将处理所有的lightmapping关键字，以及VERTEXLIGHT_ON关键字。

我们可以对延迟的pass执行相同的操作，但是在这里我们必须使用#pragma multi_compile_prepassfinal指令。它照顾了光照映射和HDR关键字。

什么是 prepass final?

Unity 4使用了与更高版本不同的延迟渲染管道。在Unity 5中，这称为传统延迟照明。这种方法有更多的pass。Prepass final是那时的术语。除了引入新的指令外，#pragma multi_compile_prepassfinal还用于当前的延迟pass。

在CreateIndirectLight中检索烘焙光本身之后，直接需要烘焙光方向。方向图可通过unity_LightmapInd获得。

但是，这将导致编译错误。因为纹理变量实际上由两部分组成。有纹理资源，有采样器状态。采样器状态确定如何采样纹理，包括滤镜和钳位模式。通常，两个部分都是针对每个纹理定义的，但是并非所有平台都要求这样做。也可以将它们分开，这使我们可以为多个纹理定义单个采样器状态。

因为强度和方向图总是以相同的方式采样，所以Unity在可能的情况下使用单个采样器状态。这就是为什么在采样强度图时必须使用UNITY_SAMPLE_TEX2D宏的原因。方向图已定义为没有采样器。要对其进行采样，我们必须使用UNITY_SAMPLE_TEX2D_SAMPLER宏来明确告诉它要使用哪个采样器。

4.3 使用方向

要使用此方向，我们首先必须对其进行解码。然后，我们可以使用法线向量执行点积运算，以找到漫反射因子并将其应用于颜色。但是方向贴图实际上并不包含单位长度方向，它要更复杂一些。幸运的是，我们可以使用UnityCG的DecodeDirectionalLightmap函数解码方向性数据并为我们执行着色。

（使用定向光照贴图）

DecodeDirectionalLightmap有什么作用？

实际上，它没有计算出正确的漫射照明因子。相反，它使用一半的Lambert代替。这种方法有效地将光线包裹在表面周围，从而照亮了阴影区域。这是必需的，因为烘焙的光本来不是来自单个方向。

代码注释中提到了镜面光照贴图。这些是支持镜面照明的光照贴图，但是需要更多的纹理，使用起来更昂贵，并且在大多数情况下效果不佳。自Unity 5.6起已将其删除。

5 光探针

光照贴图仅适用于静态对象，不适用于动态对象。结果，动态对象无法放入带有烘焙照明的场景中。当根本没有实时照明时，这是非常明显的。

（动态物体显示异常）

为了更好地混合静态和动态对象，我们还必须以某种方式将烘焙的光照应用于动态对象。Unity为此提供了光探针。光探针是空间中的一个点，具有有关该位置的照明的信息。代替纹理，它使用球谐函数来存储此信息。如果可用，这些探针将用于动态对象，而不是全局环境数据。因此，我们要做的就是创建一些探针，等到烘焙完成，我们的着色器将自动使用它们。