unity shader学习笔记（十三）——Unity中的复杂光照之渲染路径

Unity的渲染路径

　　渲染路径（Rendering Path）决定了光照是如何应用到shader中的。因此在shader中需要计算光照时就需要为每个Pass指定它使用的渲染路径。Unity中支持多种渲染路径，Unity5.0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）。Unity5.0之后的版本中，顶点照明渲染路径被Unity抛弃，也用新的延迟渲染路径代替了原来的延迟渲染路径。

　　在Unity中，可以在项目设置中选择渲染路径，也可以在摄像机中设置渲染路径，完成设置之后还可以在每个Pass中设置渲染路径，通过Pass的LightMode标签来实现。以下是Pass中的LightMode标签支持的渲染路径选项：

　　

标签名	描述
Always	不管使用哪种渲染路径，总是会被渲染，但不计算任何光照
ForwardBase	用于前向渲染，会计算光照、最重要的平行光、逐顶点/SH光源和LightMaps
ForwardAdd	用于前向渲染，会计算额外的逐像素光源、每个Pass对应一个光源
Deferred	用于延迟渲染，会渲染G缓冲（G-buffer）
ShadowCaster	把物体的深度信息渲染到阴影映射纹理（shadowmap)或一张深度纹理中
PrepassBase	用于遗留的延迟渲染，会渲染法线和高光反射的指数部分
PrepassFinal	用于遗留的延迟渲染会通过合并纹理、光照和自发光来渲染得到最后的颜色
Vertex、VertexLMRGBM和VertexLM	用于遗留的顶点照明渲染

前向渲染路径

　　前向渲染路径是传统的渲染方式，每进行一次前向渲染，需要渲染对应的渲染图元，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，利用深度缓冲来决定片元是否可见。对每个逐像素的光源都会进行这样的计算，如果有N逐像素光源，M个物体，那就需要N*M个Pass来执行，每个物体要使用多个Pass对应多个光源。那么，如果有大量光源，需要执行的Pass数目会非常大。因此，渲染引擎通常会限制每个物体的逐像素光源数目。

　　Unity中的前向渲染路径有三种处理光照方式：逐顶点处理、逐像素处理、球谐函数（Spherical Harmonics， SH）处理。而具体使用哪种模式是由光源的类型和渲染模式决定的。光源类型指的是平行光还是其他类型的光，而渲染模式是值该光源是否是重要的（Important）。在渲染物体时，Unity会跟根据各个光源的设置以及光源对物体的影响程度（如距离物体的距离、光源强度等）对光源进行重要度排序。一定数目的Important光源会按照逐像素处理，剩下的可以按SH方式处理。具体规则如下：

场景中最亮的平行光总是按照逐像素处理；

渲染模式被设置成Not Important的光源按照逐顶点或者SH处理；

渲染模式被设置成Important的光源，会按照逐像素处理；

如果以上得到的逐像素光源数量小于Quality Setting中设置的逐像素光源数量，会有更多的光源按照逐像素的方式处理。

　　前向渲染有两种Pass：Base Pase 和 Additional Pass。它们的设置及计算如下：

渲染方式	标签	光照计算	可实现的光照效果
Base Pass	Tags{“LightMode”=”ForwardBase”} #pragma multi_complie_fwdbase	一个逐像素的平行光以及所有的逐顶点和SH光源	光照纹理、环境光、自发光、阴影（平行光的阴影）
Additional Pase	Tags{“LightMode”=”ForwardAdd”} Blend One One #pragma multi_complie_fwdadd	其他影响该物体的逐像素光源每个光源执行一次Pass	默认情况不支持阴影，但可以通过使用#pragma multi_complie_fwdadd

　　需要注意的几点：

#pragma multi_complie_fwdbase和#pragma multi_complie_fwdadd在官方文档中没有说明，但只有使用这俩个编译指令，才可以在相关的Pass中得到一些正确的光照变量，如光照衰减值。

Base Pass中可以访问光照纹理（lightmap）。

Base Pass中渲染的平行光是默认支持阴影的，而Additional Pass中默认是没有阴影效果的，可以使用#pragma multi_complie_fwdadd_fullshadows代替#pragma multi_complie_fwdadd编译指令，为点光源和聚光灯开启阴影效果，但这需要在Unity内部使用更多的Shader变种。

环境光和自发光在Base Pass中是计算的，如果咋Additional Pass中也计算，就会造成叠加多次的计算。

在Additional Pass中，需要开启和设置混合模式，因为Additional Pass的渲染结果会覆盖掉之前的渲染效果，看起来该物体只收该光源的影响，通常设置为Blend One One。

对于前向渲染，一个Unity Shader通常定义一个Base Pass以及一个Additional Pass。通常一个Base Pass只执行一次（定义了多个Base Pass除外，如双面渲染），而一个Additional Pass会根据影响该物体的逐像素光源数目被多次调用。

下面给出了在Unity中对于前向渲染可以在shader中访问到的光照变量：

名称	类型	描述
_LightColor0	float4	该Pass处理的逐像素光源颜色
_WorldSpaceLightPos0	float4	_WorldSpaceLightPos0.xyz是该Pass处理的逐像素光源的位置，如果是平行光，那_WorldSpaceLightPos0.w为0，其他光源为1
_LightMatrix0	float4X4	从世界空间到光源空间的变换矩阵。可以用于采样cookie和光强衰减纹理
unity_4LightPosX0, unity_4LightPosY0，unity_4LightPosZ0	float4	仅用于Base Pase。前4个非重要的点光源在世界空间中的位置
unity_4LightAtten0	float4	仅用于Base Pase。存储了前4个非重要的点光源的衰减因子
unity_LightColor	half4[4]	仅用于Base Pase。存储了前4个非重要的点光源的颜色

前向渲染可以在shader中可以使用的内置光照函数：

函数名	描述
float3 WorldSpaceLightDir（float4 V）	仅用于前向渲染中，输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向。内部实现使用了UnityWolrdSpaceLightDir函数，没有归一。
float3 UnityWorldSpaceLightDir（float4 V）	仅用于前向渲染中，输入一个世界空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向。没有归一。
float3 ObjSpaceLightDir（float4 V）	仅用于前向渲染中，输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到光源的光照方向。没有归一。
float3 Shade4PointLights(…)	仅用于前向渲染中，计算四个点光源的光照，它的参数是已经打包进矢量的光照数据。如unity_4LightPosX0、unity_4LightPosY0、unity_4LightPosZ0、unity_lightColor和unity_4LightAtten0等。前向渲染通常会使用这个函数来计算逐顶点关照

顶点照明渲染路径

　　顶点照明渲染路径要求少，性能高，但是效果差，它不支持逐像素才能实现的效果，如阴影、法线映射、高精度的高光反射等。而且它能实现的功能在前向渲染路径中都能完成。它只是用逐顶点的方式计算光照。

　　Unity中顶点照明渲染路径通常在一个Pass中完成。在这个Pass中所有的光源对该物体的照明都按照逐顶点处理，是最快速的渲染路径。在Unity中，我们在一个顶点照明的Pass中最多可以访问8个逐顶点光照，如果影响该物体的光源数目小于8，那么数组中剩下的光源颜色会设置为黑色。下面是顶点照明渲染路径在Unity中可以使用的内置变量：

名称	类型	描述
unity_LightColor	hald[4]	光源颜色
unity_LightPosition	float[4]	xyz分量是视角空间中的光源位置。如果光源是平行光，那么z分量为0.其他光源类型z分量值为1
untiy_LightAtten	half[4]	光衰减因子，如果光源是聚光灯，x分量是cos(spotAngle/2),y分量是1/cos(spotAngle/4);如果是其他类型的光源，x分量是-1，y分量是1。z分量是衰减的平方，w分量是光源范围开根号的结果
unity_SpotDirection	float4[8]	如果光源是聚光灯，值为视角空间的聚光灯的位置，否则，值为(0,0,1,0)

Unity中的顶点照明渲染路径可以是用的内置函数如下：

函数名	描述
float3 ShadeVertexLights(float4 vertex,float3 normal)	输入模型空间中的顶点位置和法线，计算四个逐顶点光源的光照和环境光。背部调用了ShadeVertexLightsFull
float3 ShadeVertexLightsFull（float4 vertex，float3 normal，int lightColor，bool spotLight）	输入模型空间中的顶点位置和法线，计算lightCount个光源的光照以及环境光。如果spotLight值为true，那么这些光源会被当成聚光灯处理，更精确，但更加耗时，否则，按照点光源处理

延迟渲染路径

　　当场景中包含大量光源时，前向渲染会对场景中的每个物体执行多个Pass来计算不同光源对物体的光照，因此会造成性能的急速下降。并且很多计算都是重复的。

　　而延迟渲染是一种更加古老的渲染方式，除了会使用颜色缓冲和深度缓冲之外，还会利用额外的缓冲区，就是G缓冲（G-Buffer），G缓冲存储了离蛇形迹最近的表面的信息，如该表面的法线、位置、用于光照计算的材质属性等。

　　延迟渲染路径主要包含两个Pass，在第一个Pass中，不进行光照计算，只计算哪些片元是可见的，主要通过深度缓冲来实现，对于可见的片元会将相关的信息存储到G缓冲中，然后在第二个Pass中利用G缓冲中的信息进行光照计算。

　　延迟渲染的好处就是，渲染使用的Pass就两个，和场景中的光源数目没有关系。

　　在Unity中有两种延迟渲染路径，是旧的延迟渲染路径，一种是Unity5中使用的延迟渲染路径，它们之间的差别很小，如旧的延迟渲染不支持Unity5基于物理的Standard Shader。

　　一般当游戏中使用了大量的实时光照时，会选择延迟渲染路径。就是说，当场景中光源数目较多，使用前向渲染会造成性能瓶颈的情况下会使用。而且延迟渲染中的每个光源都可以按逐像素的方式处理。但延迟渲染也有一些确定：

不支持真正的抗锯齿功能；

不能处理半透明物体；

对显卡有一定的要求，必须支持MRT（Multiple Render Tragets）、Shader Mode3.0及以上、深度渲染纹理以及双面的模版缓冲。

　　在Untiy中使用延迟渲染时，需要两个Pass：

第一个Pass用于渲染G缓冲。这个Pass中，我们把物体的漫反射颜色、高光反射颜色、平滑度、法线、自发光和深度等信息渲染到屏幕空间中的G缓冲中，对每个物体这个Pass只执行一次；

第二Pass用于计算真正的光照模型。使用上一个Pass中渲染的数据来计算最终光照，再存储到帧缓冲中。

　　默认的G缓冲包含以下几个渲染纹理：

RT0：格式是ARGB32，RGB通道用于存储漫反射颜色，A通道没有被使用；

RT1：格式是ARGB32，RGB通道用于存储高光反射颜色，A通道用于存储高光反射的指数部分；

RT2：格式是ARGB2101010，RGB用于存储法线，A通道没有被使用；

RT3：格式是ARGB32（非HDR）或ARGBHalf（HDR），用于存储自发光+lightmap+反射探针；

深度缓冲和模版缓冲。

　　当在第二个Pass中计算光照时，默认情况下仅可以使用Unity内置的Standard光照模型，如果要使用其它光照模型，要替换掉原有的Internal-DeferredShading.shader文件。下面是延迟渲染路径中可以使用的内置变量：

名称	类型	描述
_LightColor	float4	光源颜色
_LightMatrix0	float4x4	从世界空间到光源空间的变换矩阵。可用于采样cookie和光强度衰减纹理