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unity GI Shader 实现

暮志未晚Webgl 2023-06-25 15:48:51
简介unity GI Shader 实现

之前分享了一篇对unity全局光照的解析，里面提到了一些东西，需要在Shader内实现，在这一篇补上。
要实现对全局GI的shader实现，我们可以通过对unity内置的Lit进行解析查看。

烘焙的方式有很多种，选择合适的方式烘焙和使用合适类型的光源尤为重要。

首先，我们先实现一下最基础的烘焙光照显示，就是将Light Map贴图显示出来。需要设置的是，将需要烘焙的模型全设置成静态，光照设置为Baked，并且模型开启了第二套LightMap UV。
在这里插入图片描述
准备工作结束。

纯烘焙，无动态

光照全部为静态的，照明模式将不会起作用，因为它选择哪个烘焙都一样，将直接光，间接光和阴影都烘焙到Light Map上面。
那么开始写shader，首先要开启宏

#pragma multi_compile _ LIGHTMAP_ON //光照贴图支持

获取LightMap的UV

float2 staticLightmapUV : TEXCOORD1;

LightMapUV是第二套

output.staticLightmapUV = input.staticLightmapUV * unity_LightmapST.xy + unity_LightmapST.zw;

然后计算完UV偏移以后，传递到片元着色器
在片元着色器中，我们只需要和之前的SH进行一个宏的判断，用来对间接光漫反射进行修改。

#if defined(LIGHTMAP_ON)
    float4 encodedIrradiance = SAMPLE_TEXTURE2D(unity_Lightmap,samplerunity_Lightmap,input.staticLightmapUV);
    Irradiance = DecodeLightmap(encodedIrradiance, float4(LIGHTMAP_HDR_MULTIPLIER, LIGHTMAP_HDR_EXPONENT, 0.0h, 0.0h));
#else
 Irradiance = SampleSH(WorldNormal);//SH,Light Probe
#endif

首先是对宏进行判断，然后读取LightMap贴图，读取到的贴图是被编码过的，所以还需要一步解码，这个是unity内置的功能，所以可以直接使用内值的变量去解码。如果当前没有开启LIGHTMAP_ON，我们还可以按照之前的那种SH方法去获取间接光漫反射。

在这种模式下，动态模型接收的是Light Probe的漫反射光照，因为没有主光源，实时渲染时也没有主光源进行渲染。
在这里插入图片描述
接下来兼容一下Lightmap方向贴图。

#pragma multi_compile _ DIRLIGHTMAP_COMBINED //方向贴图

首先要设置宏，用来判断是否开启方向贴图。
然后再LightMap中判断方向贴图，去设置方向贴图

half3 Irradiance = half3(0,0,0);
#if defined(LIGHTMAP_ON)
    float4 encodedIrradiance = SAMPLE_TEXTURE2D(unity_Lightmap,samplerunity_Lightmap,input.staticLightmapUV);
    Irradiance = DecodeLightmap(encodedIrradiance, float4(LIGHTMAP_HDR_MULTIPLIER, LIGHTMAP_HDR_EXPONENT, 0.0h, 0.0h));
    #if defined(DIRLIGHTMAP_COMBINED)
        float4 direction = SAMPLE_TEXTURE2D(unity_LightmapInd,samplerunity_Lightmap,input.staticLightmapUV);
        half3 LightDir = direction * 2.0f - 1.0f;
        half halfLambert = dot(WorldNormal,LightDir) * 0.5 + 0.5;
        Irradiance = Irradiance * halfLambert / max(1e-4,direction.w);
    #endif
#else
 Irradiance = SampleSH(WorldNormal);//SH,Light Probe
#endif

注意，unity_Lightmap是内置LightMap，unity_LightmapInd是内置的方向贴图名称，samplerunity_Lightmap是公用的采样器。
那么，有个问题，我们有了光照的方向，法向以及视角方向，是不是可以计算LightMap模型的高光效果，答案是肯定的。不管是blinnPhong还是使用GGX高光数据都够，那肯定能直接计算出来。
以下是示例代码：

#if !defined(_DIRHIGHLIGHT_OFF)
    half BlinnPhong = pow(saturate(dot(WorldNormal,normalize(LightDir + ViewDir))),30); //计算出高光强度
    Irradiance = Irradiance + Irradiance * BlinnPhong; //高光和漫反射相加
#endif

特点：

  1. 场景中的光照全靠Light Map，Light Probe，Refletion Probe提供。没有实时光源，节约性能。
  2. 所有物体缺少动态高光，静态物体勉强可以使用方向贴图获取朝向计算，动态物体的话只能使用其它方式实现。
  3. 动态物体不能产生投影。

总结：纯烘焙模式，由于其性能优秀，一般会采用在移动端固定视角类型的游戏上，动态物体就使用其它方式比如全局设置一个光的朝向等方法实现。动态物体无阴影，一般采用假阴影，比如平面阴影那种，还是比较适合移动端。
使用推荐：移动端2.5D俯视角游戏。

使用Mixed混合光照烘焙

之前说过，使用了Mixed混合光源以后，会额外的生成一组阴影贴图，也就是静态阴影贴图，然后根据我们设置的光照模式，有不同的区别。

Subtrative模式

Mixed灯光对LightMap物体无效，通过light.distanceAttenuation来屏蔽Mixed光源，如果是使用LightMap的物体，这个值将为0，避免的重复着色。
在这个模式下，静态物体的直接光，间接光，阴影都被烘焙到LightMap和LightProbe上面，动态物体还是会被Mixed光源照射，进行实时计算。这种方式是一种非常合理的设置方式，静态物体固定，用LightMap计算即可，动态物体刚好使用Mixed光照实时渲染，漫反射使用LightProbe。但是还是有几个问题需要解决，如果能解决，这将适合大多数移动端平台性能最优方案：

  1. 动态物体无法投射阴影到静态物体身上。
    解决方案：
//SUBTRACTIVE模式下的混合光照，用于处理实时光照和光照贴图的混合
#if defined(LIGHTMAP_ON) && defined(_MIXED_LIGHTING_SUBTRACTIVE)
    #if defined(_MAIN_LIGHT_SHADOWS_SCREEN)
        float4 positionCS = TransformWorldToHClip(WorldPos);
        float4 ShadowCoord = ComputeScreenPos(positionCS);
    #else
        float4 ShadowCoord = TransformWorldToShadowCoord(WorldPos);
    #endif
    float4 ShadowMask = float4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);
    Light mainLight = GetMainLight(ShadowCoord, WorldPos, ShadowMask);
    Irradiance = SubtractDirectMainLightFromLightmap(mainLight, WorldNormal, Irradiance);
#endif

这种方式是在对间接光源的辐射度里面去处理，从名字SubtractDirectMainLightFromLightmap就可以看出，是从光照贴图冲减去主光源，属于trick的方式。
首先还是要获取到平衡光主光源，这种方式只适合平衡光主光源。
上面的宏_MIXED_LIGHTING_SUBTRACTIVE是在unity内不声明的，只需要判断即可。
对于其的实现原理，我们可以查看源码学习一下：
在这里插入图片描述
从效果上看，在移动端是可以接受的：
在这里插入图片描述
2. 动态物体的实时光照无法被静态物体遮挡。
解决方案：就是在获取实时光源时，通过宏进行区别。

//ShadowMask是用来处理静态投影和动态投影的结合
#if defined(SHADOWS_SHADOWMASK) && defined(LIGHTMAP_ON)
    half4 ShadowMask = SAMPLE_SHADOWMASK(input.staticLightmapUV);
#elif !defined(LIGHTMAP_ON)
    half4 ShadowMask = unity_ProbesOcclusion;
#else
    half4 ShadowMask = half4(1, 1, 1, 1);
#endif

以上是获取ShadowMask的方式，如果使用光照烘焙，则直接获取ShadowMask的贴图（如果有的情况下）。如果没有LIGHTMAP_ON，那就是实时渲染，则在Light Probe上面去获取遮挡关系，遮挡关系我们也可以通过编辑器查看：
在这里插入图片描述
设置显示全部Light Probe，然后显示遮挡，会发现在阴影处的Light Probe明显比如在亮光处的Light Probe要暗。
在这里插入图片描述
unity的内置处理是一个叫MainLightShadow的函数：
在这里插入图片描述
这种方式是在移动端平台最推荐的一种方式，静态物体单纯的从Light Map上面获取直接光，间接光和阴影，能够实时从动态物体上面获取实时阴影进行混合。动态物体能够实时计算直接光，并且能够通过烘焙的Light Probe实时更新被场景遮挡的关系，性能和效果达到的一种均衡。
还有一些问题：角色被阴影遮挡没有实时遮挡那么明确，实时渲染阴影和烘焙阴影之间融合的也不好。如果移动平台的话，勉强够用。毕竟其它方式更耗。

ShadowMask模式

如果目标是主机或者pc，那就不用这么拮据了，可以使用ShadowMask模式，这种模式和上面的Subtrative的区别在于，烘焙时不会将阴影直接烘焙到LightMap上面，而是单独生成一份ShadowMask贴图，用于阴影遮挡关系。这样，就不用使用那种trick的方式计算阴影，而是直接两个阴影直接融合，并且动态物体身上也能够获取到烘焙的阴影的影响。但是你会发现，烘焙出来的LightMap的体积会增加一倍，这也算一个缺点。
在这里插入图片描述
你会发现每个贴图都有对应的一张shadowmask，ShadowMask模式下还有两种模式，之前也说过，
在这里插入图片描述
在质量里面可以设置ShadowMask的模式，ShadowMask就是静态物体纯用shadowmask贴图渲染阴影，也能和动态物体很好的融合。但是Distance Shadowmask，它会渲染两遍，也就是实时阴影和shadowmask阴影都渲染，最后再来一个融合。
在这里插入图片描述
上图为Distance Shadowmask的渲染阴影的批次。
在这里插入图片描述
上图为shadowmask模式的批次。明显的看出少了几十个pass。所以，还是那句话，更好的效果需要更多的性能。
使用Distance Shadowmask，你的静态物体会进行两次阴影渲染（shadowmask贴图的和实时渲染）最后进行融合的，而且还需要shadowCasterPass渲染。
而Shadowmask，相对于Subtrative模式，解决了动态阴影和静态阴影融合的问题，代价是lightmap体积翻倍。

Baked Indirect模式

这个模式，就是将间接光以及烘焙光都烘焙到LightMap上面，直接光还是实时渲染的。我们只需要按照前面，在间接光里面去获取LightMap去替换SH即可。

实时渲染LightMap

Realtime Lighting和Mixed Lighting是可以共用的，实时的主要解决实时光源的漫反射弹射效果，而烘焙的，可以直接处理Baked光源以及区域光Area Light。
在这里插入图片描述
如何混合呢，我们可以看到unity内置的代码，它兼容了动态LightMap和静态LightMap，通过宏，进行判断你的lightmap是否需要计算。它们之前没有重叠的部分，因为动态LightMap是存储的动态光照的漫反射信息，而静态LightMap是存储的静态光照的漫反射信息。所以它们之间相加即可。我们之前也计算了静态LightMap，那么动态LightMap的UV如何获取。

首先要获取到dynamicLightmapUV，这个需要第三套uv。

float2 dynamicLightmapUV : TEXCOORD2;

顶点着色器计算UV

output.dynamicLightmapUV = input.dynamicLightmapUV * unity_DynamicLightmapST.xy + unity_DynamicLightmapST.zw;

获取动态光照LightMap：

float4 encodedIrradiance = SAMPLE_TEXTURE2D(unity_DynamicLightmap,samplerunity_DynamicLightmap,input.dynamicLightmapUV);
Irradiance = DecodeLightmap(encodedIrradiance, float4(LIGHTMAP_HDR_MULTIPLIER, LIGHTMAP_HDR_EXPONENT, 0.0h, 0.0h));

这样就自己实现，如果没有自定义的要求，我推荐，还是直接使用SampleLightmap函数就行了。

这种双管齐开的方式，是最好的效果，推荐最高的效果上开启即可，毕竟用了两套烘焙系统，即耗性能又耗内存，但是效果会好很多，因为你的动态光源和静态光源都得到间接光漫反射的计算，让效果更真实。
推荐：主机和电脑高画质开启。

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风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。

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