Chapter9_光照

渲染路径(Rendering Path)

渲染路径决定了光照如何应用到Shader中，决定了把光源信息和处理后的光照信息放到那些数据中。

全局渲染路径设置(Edit->ProjectSetting->Graphics)

单个摄像机设置渲染路径

四种渲染路径设置 ：

• Deferred(延迟渲染)
• Forward(前向渲染)
• Legacy Vertex Lit(遗留顶点照明渲染)
• Legacy Deferred(light prepass)(遗留延迟渲染)

Unity会优先执行Shader中符合当前渲染路径的Pass，例如设置了Deferred(延迟渲染)。

1. 优先执行Shader中Pass的LightMode为Deferred(延迟渲染)路径的Pass。
2. 如果没有符合条件的Pass，寻找低一级Shader中Pass的LightMode为Forward(前向渲染)路径的Pass。
3. 如果没有符合条件的Pass，寻找低一级Shader中Pass的LightMode为Legacy Vertex Lit(遗留顶点照明渲染)路径的Pass。

Shader在同一时间内，只会执行一个渲染路径下的Pass。

Shader指定某个Pass使用什么渲染路径，通过标签LightMode设置。

标签	描述
Always	不管使用什么渲染路径，该Pass都会被渲染，但不会计算任何光照
ForwardBase	用于前向渲染，该Pass会计算环境光，最重要的平行光，逐顶点/SH光源和Lightmaps
ForwardAdd	用于前向渲染，该Pass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，该Pass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或一张深度纹理中
PrepassBase	用于遗留的延迟渲染，该Pass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，该Pass通过合并纹理，光照和自发光来渲染得到最后的颜色
Vertex，VertexLMRGBM，VertexLM	用于遗留的顶点照明渲染

当Shader中有"LightMode" = "Always"时：

1. 当Shader中只有 "LightMode" = "Always"的Pass时，Shader中所有Pass无论在什么渲染路径下都按先后顺序执行。
2. 当Shader处于Deferred(延迟渲染)路径下时候，Shader中的"LightMode" = "Always"的Pass不被执行。
3. 当Shader处于Forward(前向渲染)，和Legacy Vertex Lit(遗留顶点照明渲染)渲染路径下时，含有"LightMode" = "Always"的Pass的Shader，会根据Shader中其他Pass是否能在当前渲染路径下执行来决定"LightMode" = "Always"的Pass是否能被执行。如果其他Pass有能够执行的，"LightMode" = "Always"的Pass也能被执行。如果其他所有Pass不能被执行， "LightMode" = "Always"的Pass也不能被执行。 所有能执行的Pass会根据前后顺序执行，Shader中"LightMode" = "Always"的Pass之外的所有Pass都不执行，那"LightMode" = "Always"的Pass也不被执行。

Unity5.x后如果设置了前向渲染路径，Pass没有设置LightMode标签，就会被当做Legacy Vertex Lit(遗留顶点照明渲染)等同的Pass。

---

前向渲染路径

1.前向渲染路径原理

每进行一次完成的前向渲染，需要在一个Pass中渲染图元，并计算两个缓冲区。深度缓冲区决定片元是否可见，可见就更新颜色缓冲区颜色值。
对于每个逐像素光源，都需要一个Pass计算光照。一个物体如果受M个光源影响，就需要执行M个Pass，然后在帧缓冲中把这些光照结果混合得到最终颜色。如果一个场景有N个模型，每个模型受到M个光源影响，渲染这个场景需要 N * M 个Pass。因此渲染引擎会限制每个物体的逐像素光照数目。

2.Unity中的前向渲染

Unity中前向渲染有3中处理光照的方式：

• 逐顶点处理
• 逐像素处理
• 球谐函数处理

光源的类型和渲染模式决定了它被怎么处理。

• 光源类型是指该光源是平行光还是其他类型光源。
• 光源渲染模式是指该光源Render Mode属性

Pixel Light Count数量(Quality Setting)的光源会按逐像素处理，然后最多四个光源按逐顶点处理，剩下的按SH方式处理。

• 场景中最亮的平行光总是按逐像素处理
• Render Mode被设置成Not Important的光源，按逐顶点或SH处理。
• Render Mode被设置成Important的光源，按逐像素处理。
• 根据以上规则，逐像素光源大于Pixel Light Count数量(Quality Setting)，光源会被当做逐顶点或SH方式处理。
• 最亮的平行光Render Mode被设置为Not Important一样会被当做逐顶点或SH方式处理。

前向渲染有两种Pass：

1. Base Pass(LightMode = "ForwardBase")     
2. AdditionPass(LightMode = "ForwardAdd")

Unity前向渲染(LightMode = ForwardBase/ForwardAdd)内置光照变量和函数 ：

变量名称	类型	描述
_LightColor0	float4	该Pass处理的逐像素光源的颜色
_WorldSpaceLightPos0	float4	该Pass处理的逐像素光照位置。如果_WorldSpaceLightPos0.w = 0，表示该光源是平行光，_WorldSpaceLightPos0.xyz是平行光的方向向量，反之表示光源为点光源，_WorldSpaceLightPos0.xyz为光源的世界坐标
_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 Pass,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 Pass，存储了前4个非重要的点光源的衰减因子
unity_LightColor	half[4]	仅用于Base Pass，存储了前4个非重要的点光源的颜色

函数名	描述
float3 WorldSpaceLightDir(float4 v)	仅可用于前向渲染，输入一个模型空间的顶点位置，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UnityWorldSpaceLightDir函数，没有归一化。
float3 UnityWorldSpaceLightDir(float4 v)	仅可用于前向渲染，输入一个世界空间下的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向，没有被归一化。
float3 ObjSpaceLightDir(float4 v)	仅可用于前向渲染，输入一个模型空间下的顶点位置，返回模型空间中从该点到光源的光源方向，没有被归一化。
float3 Shade4PointLights(...)	仅可用于前向渲染，计算四个点光源的光照。它的参数是已经内置的光照数据。通常就像上表的 unity_4LightPosX0,  unity_4LightPosY0 unity_4LightPosZ0，unity_4LightAtten0，unity_LightColor等等。 通常使用这个函数计算逐顶点的光照。

顶点照明渲染路径

通常只使用一个Pass（LightMode = Vertex），进行逐顶点光照计算。

顶点照明渲染中，最多可以计算8个逐顶点光源的光照。

顶点照明渲染路径中可用的内置变量和函数

变量名称

类型

描述