Unity中的Enlighten與混合光照

前言

在Unity的5.6版本之前的5.x中，主要使用了Geomerics公司的Enlighten【1】來提供實(shí)時(shí)全局照明以及烘焙全局照明，在5.6之后Unity引入了新的Lightmapper——Progressive來提供烘焙全局照明并且提供了更多的混合光照模式，但是Enlighten仍然是Unity中全局照明的主要提供者。

所以，本文就來聊聊Unity5.6以及Unity2017中和Enlighten、混合光照相關(guān)的話題吧。

直接光和間接光

大家都知道在Unity中，我們可以在場景中布置方向光、點(diǎn)光、聚光等類型的光源。但如果只有這些光，則場景內(nèi)只會(huì)受到直接光的影響，而所謂的直接光簡單理解就是從光源發(fā)出的直接影響物體的光。如果只考慮直接光的影響，則會(huì)缺乏很多光影細(xì)節(jié)，導(dǎo)致視覺效果很“平”。而間接光則描述了光子在物體表面之間的反彈，能夠用來增加細(xì)節(jié)以及真實(shí)感。

例如上圖中，位于天花板燈直射光線之外的區(qū)域缺乏光照效果。表現(xiàn)為四壁上沒有明暗細(xì)節(jié)，相反此時(shí)直接光范圍之外都是均勻的黑色，而整個(gè)空間同樣也顯得十分平。

而增加了間接光之后進(jìn)行渲染，可以看到光被物體表面反彈，彩色光從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面。表現(xiàn)為紅色墻壁和綠色墻壁（在右側(cè)和紅墻相對(duì)，沒在畫面內(nèi)）的顏色反映到了場景中的其他表面上，四壁也不再是均勻的黑色，而有了層次感。

全局照明和渲染方程

正如前文所說，在Unity中使用直接光是無法模擬光子在物體表面反彈的效果的，因此Unity使用了Enlighten所提供的全局照明（Global illumination）來提供間接光效果。
所謂的全局照明（縮寫為GI）是3D計(jì)算機(jī)圖形中使用的一組算法的通用名稱，旨在為3D場景添加更逼真的照明。這樣的算法不僅考慮直接來自光源的光（直接光），而且還考慮隨后來自相同源的光線被場景中的其他表面反射的情況，即間接光。
而全局照明可以用一個(gè)稱為渲染方程【2】的復(fù)雜方程來描述：

渲染方程定義了光線是如何離開表面上某個(gè)點(diǎn)的。但是各位也可以看到，這個(gè)積分方程太復(fù)雜以至于無法快速的計(jì)算結(jié)果。因此在具體的實(shí)現(xiàn)上，往往采用了一些近似的方法。
Unity中所使用的Enlighten采用的近似方法是輻射度算法，即假設(shè)存在一組有限的靜態(tài)元素和僅有漫射光傳輸來簡化計(jì)算。上面的渲染方程就可以簡化為下面這樣：

這樣，我們就可以將積分計(jì)算變?yōu)橛?jì)算求其他元素的輻射度之和。
其中Bi指的是在i點(diǎn)最終的光，Le是i點(diǎn)本身的光，而兩個(gè)點(diǎn)之前有多少比例的光會(huì)被反彈，則有“form factor”來定義，即公式中的Fij，Lj是J點(diǎn)的光。而pi（輸入法問題，先寫成p）則是一個(gè)和i的材質(zhì)屬性相關(guān)的參數(shù)。
這樣，這個(gè)方程就比較好理解了，同時(shí)計(jì)算相比之前的渲染方程也簡單了很多。
而有了簡化的方程之后，Enlighten在計(jì)算全局光照時(shí)，會(huì)將場景分組到便于并行處理的system中。接下來，每個(gè)system被切割成離散的cluster。

在計(jì)算光照時(shí)，Enlighten將場景視為一組cluster。而場景內(nèi)的cluster則會(huì)以一種層級(jí)關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)來組織，并且會(huì)對(duì)其映射的靜態(tài)幾何體的albedo進(jìn)行采樣，之后在Light Transport階段計(jì)算cluster之間的關(guān)系以使得光在cluster之間進(jìn)行傳遞。

這樣看上去全局照明方案已經(jīng)完美的解決了間接光的問題，但是預(yù)計(jì)算實(shí)時(shí)GI的代價(jià)仍然很高，針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)這樣相對(duì)比較低端的設(shè)備，就需要有更加優(yōu)化的解決方案。所以將靜態(tài)對(duì)象的光照信息烘焙到lightmap上，同時(shí)保持對(duì)動(dòng)態(tài)對(duì)象使用實(shí)時(shí)光就變成了一個(gè)不錯(cuò)的方案。而這就是我們下文中要說的混合光照。

混合光照

使用混合光照和直接使用烘焙的lightmap有什么區(qū)別呢？簡單來說，選擇“混合”烘焙模式，會(huì)將標(biāo)記為靜態(tài)的GameObject受到的來自混合光源的光照信息保存為Lightmap。 然而，與標(biāo)記為“烘焙”的燈光不同，混合光源也會(huì)為場景中的非靜態(tài)（動(dòng)態(tài)）GameObject提供實(shí)時(shí)的直接光照。

在Unity5.x的版本中，光源就已經(jīng)有了混合模式的選擇。但是直到Unity5.6版本，混合模式又變成了4種子模式。而到了Unity2017版本，則變成了3種子模式——shadowmask的兩種模式的設(shè)置被放到了Quality Setting內(nèi)的Shadow下。如下圖所示，分別來自Unity5.5、Unity5.6以及Unity2017.3三個(gè)版本的Lighting窗口截圖。

可以看到Unity5.6之后的版本，混合光照的模式增加了Baked Indirect、Distance Shadowmask、Shadowmask、Subtractive這些子模式（2017版本后Distance Shadowmask的設(shè)置放到了Quality Setting中）。
首先我們可以先來看看Subtractive模式，因?yàn)镾ubtractive模式也是5.6之前Unity所使用的混合光照模式。
例如在Unity5.5中，我們?nèi)绻麑⒐庠丛O(shè)置為mixed來開啟混合光照，和在5.6之后選擇Subtractive模式開啟混合光照是一樣的。
那么現(xiàn)在就可以安心的使用混合光照了嗎？
我們可以來看看一個(gè)在這種模式下常見的問題：

即使用點(diǎn)光開啟mixed模式時(shí)，左下角的動(dòng)態(tài)對(duì)象cube并沒有產(chǎn)生由點(diǎn)光產(chǎn)生的實(shí)時(shí)陰影。
這個(gè)聽上去并不符合預(yù)期，因?yàn)閙ixed光照模式下對(duì)動(dòng)態(tài)對(duì)象顯然要提供實(shí)時(shí)的光照效果，也就是預(yù)期應(yīng)該是像下圖這樣產(chǎn)生點(diǎn)光造成的陰影。

那么這是為什么呢？這其實(shí)是因?yàn)樵?.6之前的混合光照，以及5.6之后使用subtractive模式的混合光照只能在"只有"一個(gè)方向光(Directional light)的時(shí)候才能正常工作。
subtractive模式的另一個(gè)問題就是烘焙的結(jié)果中沒有高光，這是因?yàn)檫@種模式不僅僅烘焙了間接光，而且它還會(huì)烘焙直接光，因此也就無法提供高光效果了。所以可以看到在上面的截圖中，并沒有高光的效果。

正是由于這種混合光照模式的不足，所以Unity5.6之后又引入了更多的混合光照模式，以滿足大家的需求。
但是，作為開銷最小的一種混合光照模式，subtractive模式仍然有被保留的必要。在一些對(duì)性能要求高過對(duì)效果的要求時(shí)，subtractive模式仍然不失為一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

混合光照新模式-Shadowmask

Unity的新的混合光照機(jī)制的一個(gè)重要功能便是對(duì)Shadowmask【3】的支持了?；旌瞎庹臻_啟shadowmask模式的情況下，Unity會(huì)額外生成一套shadowmask貼圖，它每個(gè)紋素的4個(gè)通道可以分別用來保存4盞不同的光源。

如圖，這張shadowmask保存了2盞光源的信息，一個(gè)主方向光和一個(gè)點(diǎn)光。
Shadowmask的主要功能本質(zhì)上十分容易理解，它解決了之前subtractive模式下無法完成的事情。Shadowmask不僅僅可以處理方向光，而且還可以正確的處理點(diǎn)光和聚光在混合光照條件下的表現(xiàn)。

可以看到左下角的動(dòng)態(tài)對(duì)象cube產(chǎn)生了由mixed模式下的點(diǎn)光產(chǎn)生的實(shí)時(shí)陰影。
同時(shí)，由于沒有對(duì)直接光進(jìn)行烘焙，因此能夠在運(yùn)行時(shí)提供正確的高光效果。

而有些朋友如果打開Mixed Lighting的子mode選擇菜單的話，在5.6版本中還會(huì)看到另一個(gè)和shadowmask類似的選項(xiàng)——Distance Shadowmask。

那么Distance Shadowmask和Shadowmask又有什么區(qū)別呢？
這就和陰影距離（Shadow Distance）以及混合光照下陰影是如何產(chǎn)生的有關(guān)了。
我們在Edit->Project Settings->Quality設(shè)置中可以找到Shadow Distance的設(shè)置，在實(shí)時(shí)光模式下，只有在Shadow Distance范圍內(nèi)的物體才會(huì)有陰影的影響。

而在混合光照-Shadowmask模式下，靜態(tài)物體和靜態(tài)物體之間的陰影是通過shadowmask貼圖來產(chǎn)生的。而對(duì)于靜態(tài)物體接收的動(dòng)態(tài)物體產(chǎn)生的陰影，則只有在shadow distance范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)物體才會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)的shadow map陰影。而動(dòng)態(tài)物體之間的陰影，同樣需要在Shadow Distance范圍內(nèi)來產(chǎn)生。至于動(dòng)態(tài)物體如果要接收靜態(tài)物體的陰影，則需要借助light probe的幫助。

如上圖所示，在靜態(tài)的墻和地面之間，由shadowmask提供了陰影。
至于那三個(gè)動(dòng)態(tài)物體cube，在沒有l(wèi)ight probe的情況下，左下角的cube無法接受到靜態(tài)墻體的陰影。而右邊的兩個(gè)cube之間則有實(shí)時(shí)的shadow map陰影，并且它們也在靜態(tài)墻壁上投下了實(shí)時(shí)的shadow map陰影。

而如果使用Distance Shadowmask模式的話，各位猜猜哪一種陰影產(chǎn)生的方式會(huì)發(fā)生變化呢？
答案其實(shí)很簡單，首先肯定和Shadow Distance相關(guān)，其次肯定是和實(shí)時(shí)的shadow map和烘焙好的shadowmask之間的切換相關(guān)。嗯，答案呼之欲出——在distance shadowmask模式下，處于shadow distance范圍內(nèi)的靜態(tài)物體也會(huì)實(shí)時(shí)的產(chǎn)生shadow map陰影，這一點(diǎn)和動(dòng)態(tài)物體一樣，因此無論是靜態(tài)物體之間還是靜態(tài)物體和動(dòng)態(tài)物體之間都會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)的shadow map陰影。而一旦超出了shadow distance的范圍，則靜態(tài)物體的陰影會(huì)從shadowmask中獲取。

如上圖所示，可以看到靜態(tài)的墻和地面之間的陰影邊緣銳利了，不像之前從Shadowmask獲取的陰影，由于分辨率的原因可能會(huì)更加模糊，此時(shí)已經(jīng)是實(shí)時(shí)的Shadow Map陰影了，因此邊緣更加清晰銳利。而且左下角的cube已經(jīng)可以接受到靜態(tài)墻體的實(shí)時(shí)陰影了。

不過正如我剛才提到的，Distance Shadowmask和Shadow Distance以及兩種陰影產(chǎn)生的方式有關(guān)，那么就有可能會(huì)出現(xiàn)一種瑕疵～即在Shadow Distance的內(nèi)外，會(huì)有兩種不同的陰影，而Shadowmask產(chǎn)生的陰影由于分辨率的原因往往更加模糊，例如下面這樣：

可以看到墻壁產(chǎn)生了兩種不同的陰影。因此這個(gè)問題各位在開發(fā)過程中可能也要關(guān)注一下。

另外，Distance Shadowmask和Shadowmask相比，性能上的開銷顯然要更大一些，這也不難想象，畢竟還有很多靜態(tài)物體也會(huì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)陰影嘛。那么我們可以簡單的對(duì)比一下兩者在Draw Call上的開銷：

可以看到，右側(cè)的Distance Shadowmask的drawcall開銷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于shadowmask。因此，在移動(dòng)設(shè)備上采用shadowmask而不是開銷更高的Distance Shadowmask對(duì)于追求性能的情況更加適用。當(dāng)然，Unity2017之后，Distance Shadowmask和Shadowmask的設(shè)置已經(jīng)移到了Quality Setting中了，這意味著我們可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)的切換這兩種模式了。

void OnTriggerEnter(Collider other) { if(QualitySettings.shadowmaskMode == ShadowmaskMode.Shadowmask) { QualitySettings.shadowmaskMode = ShadowmaskMode.DistanceShadowmask; }else { QualitySettings.shadowmaskMode = ShadowmaskMode.Shadowmask; } }

當(dāng)然，無論是Distance Shadowmask還是Shadowmask，它們都可以在Shadow Distance之外提供來自Shadowmask的陰影，雖然較之實(shí)時(shí)陰影要模糊一些。因此，對(duì)于需要遠(yuǎn)方也要產(chǎn)生陰影效果的項(xiàng)目，Shadowmask模式是一個(gè)很好的選擇。

混合光照新模式-Baked Indirect

下面還剩下最后一個(gè)混合光照模式——Baked Indirect【4】。事實(shí)上這個(gè)混合模式的名字就已經(jīng)十分直白了——它只烘焙間接光，其他的全部是實(shí)時(shí)的。Shadowmask貼圖？不存在的。
因此我們有了實(shí)時(shí)光、實(shí)時(shí)陰影等等。所以，在Shadow Distance的范圍之內(nèi)和實(shí)時(shí)光下效果一樣，陰影是實(shí)時(shí)的shadow map，并且在shadow distance之外不會(huì)有陰影產(chǎn)生——哪怕是分辨率比較低的模糊陰影也沒有。

可以看到在Shadow Distance范圍內(nèi)的墻的陰影十分清晰，但是在范圍之外則已經(jīng)沒有陰影了。同時(shí)，這種混合模式的開銷也很大，因?yàn)樗缓姹毫碎g接光，其他的全部是實(shí)時(shí)的。

總結(jié)

ok，讓我們對(duì)這幾種混合模式做一個(gè)小的總結(jié)吧～可以簡單的歸納為下面這個(gè)表格【5】。