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《UnityShader 入门精要》更复杂的光照

article 2024/11/27 4:10:29

代码&示例图见：zaizai77/Shader-Learn: 实现一些书里讲到的shader

到了这里就开启了书里的中级篇，之后会讲解 Unity 中的渲染路径，如何计算光照衰减和阴影，如何使用高级纹理和动画等一系列进阶内容

Unity 中的渲染路径

在Unity里，渲染路径（Rendering Path）决定了光照是如何应用到Unity Shader中的。我们需要为每个Pass指定它使用的渲染路径

在Unity 5.0版本之前，主要有3种：前向渲染路径（Forward Rendering Path）、延迟渲染路径（Deferred Rendering Path）和顶点照明渲染路径（Vertex Lit Rendering Path）。

设置Rendering path

摄像机组件的Rendering Path中的设置可以覆盖Project Settings中的设置

如果当前的显卡并不支持所选择的渲染路径，Unity会自动使用更低一级的渲染路径。例如，如果一个GPU不支持延迟渲染，那么Unity就会使用前向渲染。

        Pass  {
            Tags  {  "LightMode"  =  "ForwardBase"  }

前向渲染路径

前向渲染路径的原理

每进行一次完整的前向渲染，我们需要渲染该对象的渲染图元，并计算两个缓冲区的信息：一个是颜色缓冲区，一个是深度缓冲区。我们利用深度缓冲来决定一个片元是否可见，如果可见就更新颜色缓冲区中的颜色值。伪代码描述：

        Pass  {
            for  (each  primitive  in  this  model)  {
              for  (each  fragment  covered  by  this  primitive)  {
                  if  (failed  in  depth  test)  {
                      // 如果没有通过深度测试，说明该片元是不可见的
                      discard;
                  }  else  {
                      // 如果该片元可见
                      // 就迚行光照计算
                      float4  color  =  Shading(materialInfo,  pos,  normal,  lightDir,  viewDir);
                      // 更新帧缓冲
                      writeFrameBuffer(fragment,  color);
                  }
              }
            }
        }

对于每个逐像素光源，我们都需要进行上面一次完整的渲染流程。如果一个物体在多个逐像素光源的影响区域内，那么该物体就需要执行多个Pass，每个Pass计算一个逐像素光源的光照结果，然后在帧缓冲中把这些光照结果混合起来得到最终的颜色值。假设，场景中有N个物体，每个物体受M个光源的影响，那么要渲染整个场景一共需要N*M个Pass。可以看出，如果有大量逐像素光照，那么需要执行的Pass数目也会很大。因此，渲染引擎通常会限制每个物体的逐像素光照的数目。

Unity中的前向渲染

一个Pass不仅仅可以用来计算逐像素光照，它也可以用来计算逐顶点等其他光照。这取决于光照计算所处流水线阶段以及计算时使用的数学模型。当我们渲染一个物体时，Unity会计算哪些光源照亮了它，以及这些光源照亮该物体的方式。

在Unity中，前向渲染路径有3种处理光照（即照亮物体）的方式：逐顶点处理、逐像素处理，球谐函数（Spherical Harmonics, SH）处理。而决定一个光源使用哪种处理模式取决于它的类型和渲染模式。光源类型指的是该光源是平行光还是其他类型的光源，而光源的渲染模式指的是该光源是否是重要的（Important）。

在前向渲染中，当我们渲染一个物体时，Unity会根据场景中各个光源的设置以及这些光源对物体的影响程度（例如，距离该物体的远近、光源强度等）对这些光源进行一个重要度排序。

场景中最亮的平行光总是按逐像素处理的。
渲染模式被设置成Not Important的光源，会按逐顶点或者SH处理。
渲染模式被设置成Important的光源，会按逐像素处理。
如果根据以上规则得到的逐像素光源数量小于Quality Setting中的逐像素光源数量(Pixel Light Count)，会有更多的光源以逐像素的方式进行渲染。

光照会在Unity Shader的Pass中进行计算。前向渲染有两种Pass：

Base Pass
Additional Pass

#pragma multi_compile_fwdbase和#pragma multi_compile_fwdadd，只有分别为Bass Pass和Additional Pass使用这两个编译指令，得到一些正确的光照变量，例如光照衰减值等
Base Pass旁边的注释给出了Base Pass中支持的一些光照特性。例如在Base Pass中，我们可以访问光照纹理（lightmap）。
Base Pass中渲染的平行光默认是支持阴影的（如果开启了光源的阴影功能），而Additional Pass中渲染的光源在默认情况下是没有阴影效果的，即便我们在它的Light组件中设置了有阴影的Shadow Type。但我们可以在Additional Pass中使用 #pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows代替#pragma multi_compile_fwdadd编译指令，为点光源和聚光灯开启阴影效果，但这需要Unity在内部使用更多的Shader变种。
环境光和自发光也是在Base Pass中计算的。这是因为，对于一个物体来说，环境光和自发光我们只希望计算一次即可，而如果我们在Additional Pass中计算这两种光照，就会造成叠加多次环境光和自发光，这不是我们想要的。
在Additional Pass的渲染设置中，我们还开启和设置了混合模式。这是因为，我们希望每个Additional Pass可以与上一次的光照结果在帧缓存中进行叠加，从而得到最终的有多个光照的渲染效果。如果我们没有开启和设置混合模式，那么Additional Pass的渲染结果会覆盖掉之前的渲染结果，看起来就好像该物体只受该光源的影响。通常情况下，我们选择的混合模式是Blend One One。
对于前向渲染来说，一个Unity Shader通常会定义一个Base Pass（Base Pass也可以定义多次，例如需要双面渲染等情况）以及一个Additional Pass。一个Base Pass仅会执行一次（定义了多个Base Pass的情况除外），而一个Additional Pass会根据影响该物体的其他逐像素光源的数目被多次调用，即每个逐像素光源会执行一次Additional Pass。

（要记得东西也太多了吧。。。。）

内置的光照变量和函数

顶点照明渲染路径

顶点照明渲染路径是对硬件配置要求最少、运算性能最高，但同时得到效果最差的一种类型。它仅支持逐顶点的光源计算，不支持逐像素，所以无法得到：阴影、法线映射、高精度的高光反射等效果，它是前向渲染的一个子集。

Unity 中的顶点照明渲染

顶点照明渲染路径通常在一个Pass中就可以完成对物体的渲染，在这个Pass中，我们会计算关心的光源对物体的照明，且是按照逐顶点处理的。

它是Unity中最快速的渲染路径，且具有最广泛的硬件支持（游戏机上不支持这种路径）。Unity 5以后被作为一个遗留的渲染路径，未来的版本中可能会被移除。

可访问的内置变量和函数

在Unity中一个顶点照明的Pass中最多可以访问8个逐顶点光源。

顶点照明渲染路径中可以使用的内置变量：

如果影响该物体的光源数目小于8，则数组中剩余的光源颜色会被设置成黑色。有些变量我们同样可以在前向渲染路径中使用，如：unity_LightColor，但这些变量的数组的维度和数值在不同渲染路径下的值是不同的。

顶点照明渲染路径中可以使用的内置函数：

延迟渲染路径

当场景中包含大量实时光源，使用前向渲染会造成性能急剧下降。每个光源都会执行一个Pass，重复地渲染一个物体会存在很多相同的重复计算。

在这样的环境下，本是一种更古老的渲染方法的延迟渲染，又流行了起来。除了前向渲染中使用的颜色缓冲和深度缓冲外，延迟渲染还使用了额外的缓冲区——G缓冲（Geometry Buffer，G-buffer）。G缓冲区存储了我们关心的表面（通常指离相机最近的表面）的其他信息，如：表面的法线、位置、用于光照计算的材质属性等。

延迟渲染的过程大致可以用下面的伪代码来描述：

        Pass  1  {
            // 第一个Pass不迚行真正的光照计算
            // 仅仅把光照计算需要的信息存储到G缓冲中

            for  (each  primitive  in  this  model)  {

              for  (each  fragment  covered  by  this  primitive)  {
                  if  (failed  in  depth  test)  {
                    // 如果没有通过深度测试，说明该片元是不可见的
                    discard;
                  }  else  {
                    // 如果该片元可见
                    // 就把需要的信息存储到G缓冲中
                    writeGBuffer(materialInfo,  pos,  normal,  lightDir,  viewDir);
                  }
              }
          }
        }

        Pass  2  {
          // 利用G缓冲中的信息迚行真正的光照计算

          for  (each  pixel  in  the  screen)  {
              if  (the  pixel  is  valid)  {
                  // 如果该像素是有效的
                  // 读取它对应的G缓冲中的信息
                  readGBuffer(pixel,  materialInfo,  pos,  normal,  lightDir,  viewDir);

                  // 根据读取到的信息迚行光照计算
                  float4  color  =  Shading(materialInfo,  pos,  normal,  lightDir,  viewDir);
                  // 更新帧缓冲
                  writeFrameBuffer(pixel,  color);
              }
          }
        }

延迟渲染使用的Pass数目通常是2个，与场景中包含的光源数目没有关系，和屏幕的大小有关。

延迟渲染适合在光源数目众多、使用前向渲染造成性能瓶颈的情况下使用，每个光源都可以按逐像素处理。但它也有缺点：