--- title: "【光照】渲染路径与光源类型" author: "Perrin Yong" author_profile: https://www.pystone.net/profile/ published_by: "Perrin Yong" canonical: https://www.pystone.net/notes/rendering-paths-light-types/ type: note content_role: unspecified visibility: public id_stability: rename-stable source_path: "10-计算机、信息技术与工程/05-游戏图形与运行时/渲染基础/【光照】渲染路径与光源类型.md" content_hash: 40a8e72b1ca4657df5a033c6a9f64943e520511b6978a2cca2a90e5deaf6217c knowledge_version: 224c990773de.5fa8af6e39fa site_commit: 224c990773de166d23a886306577dd90379529ce notes_commit: 5fa8af6e39fa3891d1b9b4832bfa6c4e0ecaaf0a --- # 【光照】渲染路径与光源类型 > 创建时间：2021/3/12 19:53 * 【光照】渲染路径与光源类型 * 渲染路径 * 前向渲染路径 * Unity的光照处理方式 * RenderMode Tag * Bass Pass * Additional Pass * 可以使用的光照变量和函数 * 缺点 * 实际渲染过程 * 延迟渲染路径 * 特点 * 局限性 * Unity G-buffer * 可访问变量和函数 * 顶点照明渲染路径 * Comparison * Unity的光源类型 * 平行光 * 点光源 * 聚光灯 ## 渲染路径 A rendering path is a series of operations related to lighting and shading. ### 前向渲染路径 ```cpp string s = String.Empty; ``` 如果物体在n个逐像素光源的影响区域内,那么该物体需要执行n个Pass,每个Pass计算逐像素光源的光照结果,然后在帧缓冲中把这些光照结果混合起来得到最终的颜色值。 #### Unity的光照处理方式 在Unity中前向渲染有三种处理(即照亮物体)的方式： **逐顶点处理** 、 **逐像素处理** 、 **球谐函数(SH)** 处理。 根据光源设置以及光源对物体的影响程度(该物体的远近、光源强度等),按照重要程序对光源进行排序 * 一定数目的光源进行逐像素方式处理 * 最亮的平行光 * Light Component -> 渲染模式(Render Mode) == Important * 最多四个光源按逐顶点方式处理 * Not Important * 剩下就使用最差的SH方式处理 * Not Important 如果以上规则得到的像素光源数量效于Quality Setting中的逐像素光源数量(Pixel Light Count)，会有更多的光源逐像素处理 #### RenderMode Tag 告诉Unity该Pass在渲染路径中的位置，引擎会据此进行一些相关计算并填充一些内置变量。 一个Unity Shader通常会定义一个Base Pass（ Base Pas 也可定义多次， 例如需要双面渲染等情况）以及一个 Additional Pass。 * 一个 Base Pass仅会执行 一次 * 每个逐像素光源会执行一次Additional Pass ##### Bass Pass `# pragma multi_compile_fwdbase` > 使用编译指令，才可以在Pass得到一些正确的变量，如光照衰减值等 计算——一个 **逐像素** 的 **平行光** \+ 所有逐顶点和SH光源。只计算一次。 可实现的光照效果： * **光照纹理** * 环境光 * 自发光 * 阴影（平行光的阴影） ##### Additional Pass `# pragma multi_compile_fwdadd` 计算——其他影响该物体的逐像素光源，每个光源执行一次Pass * 默认情况下没有阴影效果 * 可以使用`#pragma multi_compile_fwdadd_fullshadows`代替`# pragma multi_compile_fwdadd`，为点光源和聚光灯开启阴影效果 * 设置混合模式`Blend One One` \- 每个Additional Pass可以与上一次计算的结果在帧缓存中叠加。(若不开启，会覆盖之前的结果) #### 可以使用的光照变量和函数 ![Alt text](/media/ae73ac39e886b7e27850.png) ![Alt text](/media/d936d98091ee5b54ede8.png) ![Alt text](/media/d5e2bce3c4bda73ec891.png) ![Alt text](/media/9e130b8548e4e403ec37.png) #### 缺点 当场景中包含大量实时光源时，前向渲染的性能会急速下降。 每个物体多个Pass，每执行一个Pass都需要重新渲染一遍物体，很多计算是重复的。 #### 实际渲染过程 ![Alt text](/media/412635250664c91ae5fb.png) 1. 清除颜色、深度和模板缓冲，为后面的渲染做准备 2. 利用Base Pass，将平行光的光照渲染到Frame Buffer中 3. 使用Additional Pass，依次将4个点光源的光照应用到物体上，得到最后的渲染结果。 渲染点光源的顺序——按照重要程度排序，因素有: * 颜色 * 强度 * 距离 Unity具体的做法没有官方说明 ### 延迟渲染路径 G-buffer (Geometry buffer) - 存储了我们所关心的表面（离摄像机最近的表面）的其他信息（法线，位置，视角方向，用于光照计算的材质属性等）。 两个Pass： Pass1 - 不进行光照计算，仅仅计算片元的可见性（深度缓冲技术），可见片元的信息存储到G-buffer。 Pass2 - 利用G-buffer中的片元信息进行真正的光照计算。 ```cpp string s = String.Empty; ``` #### 特点 效率不依赖于场景的复杂度，而是和屏幕空间的大小有关（决定缓冲区的大小，缓冲区实质上就是一张张2D图像） 适用于场景中光源数目很多，使用前向渲染会造成性能瓶颈的情况下。 #### 局限性 * 不支持真正的抗锯齿（anti-aliasing） * 不能处理半透明物体 * 显卡要求 * 必须支持MRT（Multiple Render Targets） * Shader Mode 3.0及以上 * 深度渲染纹理 * 双面的模板缓冲 #### Unity G-buffer 默认包含以下几个渲染纹理(RenderTexture) * RT0 - ARGB32 - 漫反射颜色(A不使用) * RT1 - ARGB32 - 高光反射颜色 - A存储高光反射的指数部分 * RT2 - ARGB2101010 - RGB存储法线(A不用) * RT3 - ARGB32(非HDR) or ARGBHalf(HDR) - 存储自发光 + lightmap + 反射探针(reflection probes) * 深度缓冲(Z-buffer) * 模板缓冲(stencil buffer) #### 可访问变量和函数 UnityDeferredLibrary.cginc ![Alt text](/media/df38a620876c54d2432d.png) ### 顶点照明渲染路径 * ForwardPath的一个子集，Unity只会填充一些逐顶点相关的光源变量 * 最快速 * 硬件支持最广泛 * 最多访问到8个逐顶点光源 ![Alt text](/media/529c2681cd83cc31c767.png) ![Alt text](/media/6656a93d65d0ed209543.png) ### Comparison ![Alt text](/media/09d77a997f88674ab0b8.png) ## Unity的光源类型 * 平行光(directional light) - 没有位置，没有衰减 * 点光源(point light) * 聚光灯(spot light) * 面光源(area light) > 光源属性 > > * 位置 > > * 方向（到某点的方向） > > * 颜色 > > * 强度 > > * 衰减 (attenuation)到某点的衰减） > > ### 平行光 * 方向 - _WorldSpaceLightPos0 * 颜色和强度 - _LightColor0 (已经是相乘后的结果) * 衰减 - 没有衰减(attenuation = 1.0) ### 点光源 Range - 半径 Position 颜色 强度 衰减 ### 聚光灯 空间中的一块锥形区域定义，表示由一个特定位置出发，向特定方向延伸的光 * Range * Spot Angle * Position