【光照】Unity[光照烘焙]的原理与具体流程

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

URP光照烘焙介绍

Unity通用渲染管线(URP)的光照烘焙系统是用于预计算全局光照(GI)的核心技术，它将静态光源的光照效果预先计算并存储在光照贴图(Lightmap)中，运行时直接采样使用以提高性能。URP支持三种光源模式：

• ‌Realtime实时模式‌：
  
  
  
  • 完全动态计算，不生成光照贴图，适用于高频移动光源或需要实时互动的场景。
    
  
  
• ‌Baked烘焙模式‌：
  
  
  
  • 完全离线烘焙到光照贴图中，运行时无实时计算，适合静态环境光。
    
  
  
• ‌Mixed混合模式‌：
  
  
  
  • 结合烘焙与实时计算的优势，包括三种子模式：
    
  • Baked Indirect：烘焙间接光照，直接光和阴影实时计算
    
  • Subtractive：烘焙直接光和阴影，动态物体通过Light Probe接收光照
    
  • Shadowmask：烘焙间接光+阴影贴图，实时计算直接光
    
  
  

历史发展

URP的光照烘焙技术源自Unity传统的Enlighten和Progressive光照系统，经过多次迭代：

• 早期版本主要依赖Enlighten光照系统
  
• 2018年后引入Progressive光照烘焙器(CPU/GPU)
  
• URP 7.x版本开始支持StructuredBuffer优化光源处理
  
• 最新版本支持Shadowmask混合模式，平衡效果与性能
  

内部实现原理与数学公式

光照烘焙核心算法

光照烘焙主要基于辐射度算法(Radiosity)和光子映射(Photon Mapping)，核心数学公式包括：
‌辐射传输方程‌：

$L_o(x,ω_o) = L_e(x,ω_o) + ∫_Ω f_r(x,ω_i,ω_o)L_i(x,ω_i)(n·ω_i)dω_i$
其中：

• $L_o$：出射辐射度
  
• $L_e$：自发光辐射度
  
• $f_r$：双向反射分布函数(BRDF)
  
• $L_i$：入射辐射度
  
• $(n·ω_i)$：余弦项
  

‌光照贴图采样‌：

1. float3 SampleLightMap(float2 lightMapUV) {
2.     #if defined(LIGHTMAP_ON)
3.     return SampleSingleLightmap(TEXTURE2D_ARGS(unity_Lightmap, samplerunity_Lightmap),
4.         lightMapUV, float4(1.0, 1.0, 0.0, 0.0),
5.         #if defined(UNITY_LIGHTMAP_FULL_HDR)
6.         false,
7.         #elsetrue,
8.         #endif
9.         float4(LIGHTMAP_HDR_MULTIPLIER, LIGHTMAP_HDR_EXPONENT, 0.0, 0.0));
10.     #elsereturn 0.0;
11.     #endif
12. }

复制代码

动态物体光照处理

动态物体通过Light Probe接收烘焙光照，采样使用球谐函数(SH)：

1. float3 SampleLightProbe(Surface surfaceWS) {
2.     #if defined(LIGHTMAP_ON)
3.     return 0.0;
4.     #elseif(unity_ProbeVolumeParams.x) {
5.         return SampleProbeVolumeSH4(TEXTURE3D_ARGS(unity_ProbeVolumeSH, samplerunity_ProbeVolumeSH),
6.             surfaceWS.position, surfaceWS.normal, unity_ProbeVolumeWorldToObject,
7.             unity_ProbeVolumeParams.y, unity_ProbeVolumeParams.z,
8.             unity_ProbeVolumeMin.xyz, unity_ProbeVolumeSizeInv.xyz);
9.     } else {
10.         float4 coefficients[7];
11.         coefficients[0] = unity_SHAr;
12.         coefficients[1] = unity_SHAg;
13.         coefficients[2] = unity_SHAb;
14.         coefficients[3] = unity_SHBr;
15.         coefficients[4] = unity_SHBg;
16.         coefficients[5] = unity_SHBb;
17.         coefficients[6] = unity_SHC;
18.         return max(0.0, SampleSH9(coefficients, surfaceWS.normal));
19.     }
20.     #endif
21. }

复制代码

具体流程与手动计算示例

光照烘焙流程

• ‌场景准备‌：
  
  
  
  • 标记静态物体(勾选Static)
    
  • 生成光照贴图UV(Generate Lightmap UVs)
    
  • 设置光源模式(Baked/Mixed)
    
  
  
• ‌烘焙参数设置‌：
  
  
  
  • 间接光反弹次数(Max Bounces，通常设为5)
    
  • 光照贴图分辨率
    
  • 启用环境光遮蔽(AO)
    
  
  
• ‌执行烘焙‌：
  
  
  
  • CPU或GPU渐进式烘焙
    
  • 降噪处理
    
  • 生成光照贴图和光照探针
    
  
  

手动计算示例

假设一个简单场景，计算某点P的烘焙光照：
‌直接光照计算‌：

$L_direct = I * max(0, n·l) / (d² + 1)$
其中：

• I：光源强度
  
• n：表面法线
  
• l：光源方向
  
• d：距离光源的距离
  

‌间接光照计算‌：
$L_{indirect} = Σ (L_{bounce} * albedo / π)$
其中：

• $L_{bounce}$：来自其他表面的反射光
  
• albedo：表面反射率
  

‌最终光照‌：
$L_{final} = L_{direct} + L_{indirect} + L_{emission}$
常见问题与优化

• ‌黑斑问题‌：因模型没有光照贴图坐标或UV重叠导致，需勾选Generate Lightmap UVs并调整Pack Margin。
  
• ‌硬边问题‌：因UV在光照图中比例太小，需调大Scale In Lightmap参数。
  
• ‌性能优化‌：
  
  
  
  • 使用Shadowmask模式平衡效果与性能
    
  • 控制附加光源数量(PC平台最多8个)
    
  • 合理设置阴影距离(Shadow Distance)
    
  
  

URP的光照烘焙系统通过结合预计算和实时计算，在保持良好视觉效果的同时显著提升了渲染性能，特别适合移动端和中低端硬件平台
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