【光照】Unity[光照烘焙]的原理与具体流程

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URP光照烘焙介绍

Unity通用渲染管线(URP)的光照烘焙系统是用于预计算全局光照(GI)的核心技术,它将静态光源的光照效果预先计算并存储在光照贴图(Lightmap)中,运行时直接采样使用以提高性能。URP支持三种光源模式:

  • Realtime实时模式 ‌:
    • 完全动态计算,不生成光照贴图,适用于高频移动光源或需要实时互动的场景。
  • Baked烘焙模式 ‌:
    • 完全离线烘焙到光照贴图中,运行时无实时计算,适合静态环境光。
  • Mixed混合模式 ‌:
    • 结合烘焙与实时计算的优势,包括三种子模式:
    • Baked Indirect:烘焙间接光照,直接光和阴影实时计算
    • Subtractive:烘焙直接光和阴影,动态物体通过Light Probe接收光照
    • Shadowmask:烘焙间接光+阴影贴图,实时计算直接光

历史发展

URP的光照烘焙技术源自Unity传统的Enlighten和Progressive光照系统,经过多次迭代:

  • 早期版本主要依赖Enlighten光照系统
  • 2018年后引入Progressive光照烘焙器(CPU/GPU)
  • URP 7.x版本开始支持StructuredBuffer优化光源处理
  • 最新版本支持Shadowmask混合模式,平衡效果与性能

内部实现原理与数学公式

光照烘焙核心算法

光照烘焙主要基于辐射度算法(Radiosity)和光子映射(Photon Mapping),核心数学公式包括:

辐射传输方程‌:

L_o(x,ω_o) = L_e(x,ω_o) + ∫_Ω f_r(x,ω_i,ω_o)L_i(x,ω_i)(n·ω_i)dω_i

其中:

  • L_o:出射辐射度
  • L_e:自发光辐射度
  • f_r:双向反射分布函数(BRDF)
  • L_i:入射辐射度
  • (n·ω_i):余弦项

光照贴图采样‌:

c 复制代码
float3 SampleLightMap(float2 lightMapUV) {
    #if defined(LIGHTMAP_ON)
    return SampleSingleLightmap(TEXTURE2D_ARGS(unity_Lightmap, samplerunity_Lightmap),
        lightMapUV, float4(1.0, 1.0, 0.0, 0.0),
        #if defined(UNITY_LIGHTMAP_FULL_HDR)
        false,
        #elsetrue,
        #endif
        float4(LIGHTMAP_HDR_MULTIPLIER, LIGHTMAP_HDR_EXPONENT, 0.0, 0.0));
    #elsereturn 0.0;
    #endif
}

动态物体光照处理

动态物体通过Light Probe接收烘焙光照,采样使用球谐函数(SH):

c 复制代码
float3 SampleLightProbe(Surface surfaceWS) {
    #if defined(LIGHTMAP_ON)
    return 0.0;
    #elseif(unity_ProbeVolumeParams.x) {
        return SampleProbeVolumeSH4(TEXTURE3D_ARGS(unity_ProbeVolumeSH, samplerunity_ProbeVolumeSH),
            surfaceWS.position, surfaceWS.normal, unity_ProbeVolumeWorldToObject,
            unity_ProbeVolumeParams.y, unity_ProbeVolumeParams.z,
            unity_ProbeVolumeMin.xyz, unity_ProbeVolumeSizeInv.xyz);
    } else {
        float4 coefficients[7];
        coefficients[0] = unity_SHAr;
        coefficients[1] = unity_SHAg;
        coefficients[2] = unity_SHAb;
        coefficients[3] = unity_SHBr;
        coefficients[4] = unity_SHBg;
        coefficients[5] = unity_SHBb;
        coefficients[6] = unity_SHC;
        return max(0.0, SampleSH9(coefficients, surfaceWS.normal));
    }
    #endif
}

具体流程与手动计算示例

光照烘焙流程

  • 场景准备 ‌:
    • 标记静态物体(勾选Static)
    • 生成光照贴图UV(Generate Lightmap UVs)
    • 设置光源模式(Baked/Mixed)
  • 烘焙参数设置 ‌:
    • 间接光反弹次数(Max Bounces,通常设为5)
    • 光照贴图分辨率
    • 启用环境光遮蔽(AO)
  • 执行烘焙 ‌:
    • CPU或GPU渐进式烘焙
    • 降噪处理
    • 生成光照贴图和光照探针

手动计算示例

假设一个简单场景,计算某点P的烘焙光照:

直接光照计算‌:

L_direct = I \* max(0, n·l) / (d² + 1)

其中:

  • I:光源强度
  • n:表面法线
  • l:光源方向
  • d:距离光源的距离

间接光照计算‌:

L_{indirect} = Σ (L_{bounce} \* albedo / π)

其中:

  • L_{bounce}:来自其他表面的反射光
  • albedo:表面反射率

最终光照‌:

L_{final} = L_{direct} + L_{indirect} + L_{emission}

常见问题与优化

  • 黑斑问题‌:因模型没有光照贴图坐标或UV重叠导致,需勾选Generate Lightmap UVs并调整Pack Margin。
  • 硬边问题‌:因UV在光照图中比例太小,需调大Scale In Lightmap参数。
  • 性能优化 ‌:
    • 使用Shadowmask模式平衡效果与性能
    • 控制附加光源数量(PC平台最多8个)
    • 合理设置阴影距离(Shadow Distance)

URP的光照烘焙系统通过结合预计算和实时计算,在保持良好视觉效果的同时显著提升了渲染性能,特别适合移动端和中低端硬件平台


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