在Demo实装光照烘焙与探针

Posted on | In | | Visitors

　　欢迎参与讨论，转载请注明出处。

前言

　　Demo目前的实时光影虽已完成，但考虑到不同的配置设备，还是得做出不同档次的光影方案。那么烘焙光照（Lightmapping）与光照探针（Light Probes）就免不了了。本文将结合项目实际需求，讲述遇到的问题及解决方案。项目引擎版本为2019.4，渲染管线为URP。

初步的烘焙

　　首先要做的自然是对Shader增加光照烘焙与探针的支持，照抄URP的SimpleLit Shader即可。大致要点如下：

  • Shader添加multi_compile：LIGHTMAP_ON与_MIXED_LIGHTING_SUBTRACTIVE，这表示Shader会参与光照贴图与混合光照
  • 顶点着色器参数添加half2 lightmapUV : TEXCOORD1;，这是光照贴图的UV
  • 片元着色器参数添加DECLARE_LIGHTMAP_OR_SH(lightmapUV, vertexSH, 1);，这是URP自带的宏，根据LIGHTMAP_ON决定配置光照烘焙或探针的参数（lightmapUV or vertexSH），最后的参数1决定是第几个TEXCOORD
  • 在顶点着色器调用OUTPUT_LIGHTMAP_UV(lightmapUV, lightmapScaleOffset, OUT)与OUTPUT_SH(normalWS, OUT)宏，它们将根据情况配置lightmapUV与vertexSH
  • 在片元着色器对光照贴图或探针进行取色（SAMPLE_GI(lmName, shName, normalWSName)），最后将之加入到着色环节即可
  • 若是想要烘焙模式下也能接受实时阴影，记得调用MixRealtimeAndBakedGI函数

　　总的来说都封装好了，照着拼凑而已。那么事不宜迟，直接按照默认的烘焙配置整个看看，记得要将GameObject的Static里的Contribute GI勾选方可参与烘焙：
0
　　看着似乎还不错，那么对比下实时看看吧：
1
　　这么一看还是有不少差距的，必须要让烘焙与实时的效果高度接近才行呐——

ShadowMask

　　经过与烘焙设置一番斗智斗勇后，我发现我要的仅仅是让阴影烘焙，以节省阴影的运算罢了。什么全局光照、烘焙自带的着色等等都是不需要的。为此我尝试过不少骚操作：生成光照贴图后进行二值化处理、直接在Shader对烘焙色进行处理等……可惜这些方案都只是治标不治本，要么在流程上繁琐，要么性能不佳，要么无法应对所有情况。最终我把目光放在了烘焙三模式之一的ShadowMask，它将单独生成阴影贴图，那么若是我只用它，抛弃光照贴图，便可达到目的了。
　　不幸的是，URP并没有支持ShadowMask，官网显示仍处于In research状态。幸好网上有其他人做了实现ShadowMask的教程，顺便也学习了一波可编程渲染管线（SRP）的基础知识。经过研究发现，ShadowMask的添加并不复杂，甚至可以说是URP主动将之关闭了（严重怀疑是故意拖到后面做，显得有活干）。当然这么干了之后就表示需要维护自己的URP版本了，顺便将之开源了。
　　SRP本质上是开放了一个可供用户定制的表层，多数核心功能还是封装好的。ShadowMask也不例外，其生成附属于烘焙模块。我们要做的只是添加一些设置，以及相应的Shader支持罢了：

1
2
3
4
5
6
7
8
// 添加Shadowmask字段以让界面开启选项
mixedLightingModes = SupportedRenderingFeatures.LightmapMixedBakeModes.Subtractive | SupportedRenderingFeatures.LightmapMixedBakeModes.IndirectOnly | SupportedRenderingFeatures.LightmapMixedBakeModes.Shadowmask
// 添加Shader关键字，以决定是否启用功能
public static readonly string MixedLightingShadowmask = "SHADOWS_SHADOWMASK";
// 根据条件设置相应的Shader关键字
CoreUtils.SetKeyword(cmd, ShaderKeywordStrings.MixedLightingShadowmask, renderingData.lightData.supportsMixedLighting &&m_MixedLightingSetup == MixedLightingSetup.ShadowMask);

　　Shader方面要做的调整也不多，URP本身自带ShadowMask的贴图变量TEXTURE2D(unity_ShadowMask);，其UV与光照贴图一致，复用即可。记得在Shader添加multi_compile SHADOWS_SHADOWMASK以判别是否处于ShadowMask模式下。 

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
#if defined(SHADOWS_SHADOWMASK) && defined(LIGHTMAP_ON)
    // ShadowMask贴图只有R通道
    half shadowMask = SAMPLE_TEXTURE2D(unity_ShadowMask, samplerunity_ShadowMask, lightmapUV).r;
    // 不超过光照Strength值
    shadowMask = LerpWhiteTo(shadowMask, GetMainLightShadowStrength());
    // 加入到阴影着色中
    light.shadowAttenuation = min(light.shadowAttenuation, shadowMask);
#endif

　　大致要做的事情就这么多，烘焙设置除阴影方面外，能怎么快就怎么设置（反正也用不上光照贴图了），一般来说需要注意的有Bounces要设为1，不然阴影会不完整。Flitering将对阴影贴图做边缘柔和处理，Lightmap Resolution与Lightmap Size决定阴影质量，参考如下：
2
　　另外需要注意的是，阴影精度很大程度上取决于模型的大小，因为一个模型只能有一张光照/阴影贴图，在贴图大小定死上限的前提下，模型越大贴图的解析度自然越低。那么来看看效果吧，图一为实时，图二为烘焙：
3
4
　　效果可以说是高度接近了，干掉了光照贴图后着色变得完全一致，阴影贴图在合理的设置下也达到了高度接近实时的效果。坡肥！

光照探针

　　现在虽然实现了高度接近实时的阴影烘焙，但显而易见，当人物走向阴影处便会是这样的结果：
5
　　在某些游戏也许不太理会这种现象，但这也太捞了，光照探针便是为了解决这个问题而生的。通过在场景布置探针，将会根据动态对象附近的探针取色决定明暗度：
6
　　光照探针如果要手动布置那实在是太麻烦了，于是我使用了这个插件，通过简单的设置暴力的去平铺一波：
12
　　根据官方文档说法，探针数量与性能成反比（但越多越精确）。但此插件平铺并不会把探针置于模型内部，以及对比了下《使命召唤手游》的光照探针，感觉还行：
13
　　Shader方面没什么要改的，在URP获取光照函数GetMainLight()本身自带了对光照探针的着色处理（附加在light.distanceAttenuation中），由于不需要用到全局光照，之前的OUTPUT_SH之类的都可以删了。当然有个现象需要注意下：
7
　　可以看到在暗处时实在是太黑了（也许是放弃了全局光照导致），于是我们加个约束，将暗值约束在光照Strength到1： 

1
2
3
#if !defined(LIGHTMAP_ON) && defined(_MIXED_LIGHTING_SUBTRACTIVE)
    mainLight.distanceAttenuation = lerp(GetMainLightShadowStrength(), 1, saturate(mainLight.distanceAttenuation));
#endif

8
　　很好，这下可以说是大功告成了！

后记

　　最后演示下不同光影品质下的差别吧，分别为低、中、高：
9
10
11
　　话虽如此，可我发现目前直接把高品质光影扔到iPhone8下居然稳定59帧，太强了……
14