【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‌：

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)：

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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