翻译5 Unity Advanced Lighting

Posted 2021-03-13 baolong-chen

使用多个光源渲染
支持多光源类型
使用光照信息
计算顶点光照
了解球谐函数

上部分介绍了Unity的基本单个光源，现在学习多个光源参与渲染物体，使用Unity5.6.6f2

1 Include Files

为了给Shader增加支持多个光源，我们需要增加更多Pass通道。但是这些Pass最终包含了几乎完全相似的代码，为了避免代码的重复性，我们可以通过把着色器代码移动到一个CG文件，然后在Shader代码中引用该文件

在文件目录中手动创建一个MyLighting.cginc文件，再把FirstLighting.shader内从#pragma以下到ENDCG以上区间内代码拷贝进.cginc文件。这样我们不直接在shader中写这些重复的代码，通过include引用使用它。

注意，.cginc文件也提供了类似的避免重复定义，#define XXX_INCLUDED，再把整个文件内容放置在预处理文件块中。

#if !defined(MY_LIGHTING_INCLUDED)
#define MY_LIGHTING_INCLUDED
//…

#endif

 

2 第二光源-Drection

新建两个方向光对象，参数设置如下图：

 

2-1. 两个光源参数

现在场景中有两个光，但是每个物体看起来没有什么区别。现在我们一次只激活一个光源，看看有什么变化。

 

2-2. 左main光源，右minor光源

2.1 增加第二个Pass

当前场景内只能看见一个光源效果，这是由于MyMultiLightShader只有一个Pass且只计算了一个光源。Pass光照标签ForwardBase只计算主光源， 为了渲染额外的光源，需要增加一个Pass且指定光照标签为ForwardAdd方可计算额外的光源。

SubShader
{
    Pass
    {
	Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
	CGPROGRAM
	#pragma target 3.0
	#pragma vertex MyVertexProgram
	#pragma fragment MyFragmentProgram
	#include "MyLighting.cginc"
	ENDCG
    }
    Pass
    {
	Tags { "LightMode" = "ForwardAdd" }
	CGPROGRAM
	#pragma target 3.0
	#pragma vertex MyVertexProgram
	#pragma fragment MyFragmentProgram
	#include "MyLighting.cginc"
	ENDCG
    }
}

现在虽然计算了两个光源，但是ForwardAdd计算结果会直接覆盖ForwardBase的结果。我们需要把这两个光照效果结合起来，需要在ForwardAdd Pass内使用混合。

UnityShader的Blend函数：如何通过定义两个因子来合并新旧数据？ 新旧数据分别与Blend函数的因子相乘然后相加，得到最终结果。如果Pass内没有Blend默认不混合=Blend One Zero。每个Pass计算后的数据会写入帧缓冲区中，也就会替换之前任何写入该缓冲区的内容。为了把新旧数据都能加到帧缓冲区，我们可以需要指示GPU使用Blend one one模式。

Pass
{
	Tags { "LightMode" = "ForwardAdd" }
	Blend One One
	//...
}

 

2-3. 左无混合， 右one one混合

Z-bufferGPU`s depth buffer：一个物体第一次被渲染，GPU就会检查该片元是否会渲染在其他已经渲染过的像素的前面，这些距离信息就存储在该缓冲区中。因此每个像素都有颜色和深度信息，该深度表示从相机到最近表面的每个像素的距离。

ForwardBase中，如果要渲染的片元前面没有任何内容(深度值最小)，它就是最靠近摄像机的表面。GPU也会继续运行fragment程序，生成新的颜色和记录新的深度。如果要渲染的片元的深度值最终比已经存在的大，说明它前面有东西，它就不会被渲染也不能看见。在forward add中重复计算minor光时，要添加到已经存在的灯光，再次运行fragment程序时，因为针对的是同一个对象，最终记录了完全相同的深度值。因此两次写入相同的深度信息是没必要的，用ZWrite off关闭它。

	Blend One One
	ZWrite Off

2.2 Draw Call Batches

在Game视图右上角打开Stats窗口，可以更好地了解运行时发生的事情。查看Batches、Saved by batching数据。先只激活main光源。

2-4. Batches数据6，总共7

场景内有5个对象，应该是5个Batches。见下图图

2-5. 实际Batches

通过FrameDebugger分析，实际是5个draw mesh加上3个内置阴影render函数，一共8个Batches。但是由于启用了动态批处理dynamic batching，所以有一个Saved by batching统计。

那现在来消除这3个阴影渲染函数调用，打开Edit/Project Settings/Quality。Shadows选择Disable Shadows. Clear先无视它这个系统清屏函数。

 

2-6. 去掉了阴影渲染函数

激活minor光源，如下图：

 

2-7. 10 + 1 = 11

10个Batches？ 因为这5个对象被渲染了两次，最终为10个批次，而不是上面的4个。 动态批处理失效了！Unity规定动态批处理最多只支持一个方向光作用的物体对象。

2.3 Frame Debugger

通过Window / Frame Debugger打开可以清楚了解屏幕画面是如何被渲染出来的，5.6版本。

2-8 Frame Debugger调试

通过选择光条可单步调试渲染，窗口会自动显示每一步的细节。按照上面的顺序，优先画出了靠近相机的不透明物体，这个front-to-back从前到后的渲染顺序是有效的，得益于depth-buffer深度缓冲，隐藏的片元就会被跳过不渲染。如果使用back-to-front从后到前的顺序，就会覆写远处的像素，发生overdraw。

Unity渲染顺序是front-to-back，同时Unity喜欢把相似的物体分组。例如，sphere和cube分开，可避免在不同mesh网格间切换；或者把使用相同的material分组。

3 Point Lights