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UnityShade入门精要（5·渲染路径，多光源，阴影）

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作者 senlongan
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渲染路径

渲染路径，决定了光照信息是如何在渲染管线中传递和什么位置进行光照计算的

unity主要有3 种渲染路径：前向渲染路径(ForwardRendering Path)、延迟渲染路径 (Deferred Rendering Path)，顶点照明渲染路径

大多数情况下， 一个项目只使用一种渲染路径，因此我们可以为整个项目设置渲染时的渲染路径。我们可以通过在Unity 的Edit– Project Settings – Player – Other =Settings – Rendering Path 中选择项目所需的渲染路径

但有时，我们希望可以使用多个渲染路径，可以在每个摄像机的rendering path设置

不同类型的渲染路径可能会包含多种标签设置，通过”LightMode”标签在pass通道指定pass具体的渲染路径（决定此pass具体进行哪些光源的光照计算），包含如下选项：

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注意：

  • 同时不要忘记预编译指令#pragma multi_compile_fwdbase / #pragmamulti_compile一fwdadd等,才可以保证光照变量可以被正确赋值
  • 一个Base Pass仅会执行一次， 而一个AdditionalPass会根据影响该物体的其他逐像素光源的数目被多次调用，
  • 对于一个物体来说， 环境光和自发光我们只希望计算一次即可，因此环境光和自发光是在BasePass中计算的， 而如果我们在AdditionalPass中计算这两种光照， 就会造成叠加多次环境光和自发光
  • 开启和设置了混合模式。 这是因为，我们希望每个AdditionalPass可以与上一次的光照结果在帧缓存中进行叠加，
  • Additional Pass中渲染的光源在默认情况下是没有阴影效果的， 中使用#pragma multi_compile_fwdadd _ fullshadows代替#pragma multi_ compile_ fwdadd编译指令，为点光源和聚光灯开启阴影效果，

前向渲染路径

前向渲染路径是传统的渲染方式，也是我们最常用的一种渲染路径,遍历每个片段，如果通过深度测试，就进行光照计算

假如场景中有N个物体，每个物体受M个光源的影响，那么要渲染整个场景一共需要N*M个Pass，可以看出，如果有大量逐像素光照， 那么需要执行的Pass数目也会很大

前向渲染光照计算位置可以在顶点也可以在像素阶段，取决于光照计算所处流水线位置

前向渲染的变量和函数：

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前向渲染物体处理方式

按照什么方式处理光照：包括3种：逐顶点处理、逐像素处理，球谐函数 (Spherical Harmonics, SH) ，

取决于光源类型（平行，点，聚光）和光源的渲染模式（可以在unity editor光源对象的render mode设置）（该光源是否是重要的 (Important)）

Unity会根据场景中各个光源的设置以及这些光源对物体的影响程度（例如， 距离该物体的远近、 光源强度等）对这些光源进行一个重要度排序。

  • 场景中最亮的平行光总是按逐像素处理的。
  • 渲染模式被设置成NotImportant的光源，会按逐顶点或者SH处理。
  • 渲染模式被设置成Important的光源，会按逐像素处理。
  • 如果根据以上规则得到的逐像素光源数批小于Quality Setting中的逐像素光源数批(Pixel Light Count), 会有更多的光源以逐像素的方式进行渲染

顶点照明渲染路径

是对硬件配罚要求最少、运算性能最高，但同时也是得到的效果最差的一种类型，它不支持那些逐像素才能得到的效果，例如阴影、法线映射、高精度的高光反射等

顶点照明渲染路径只是使用了逐顶点的方式来计算光照，通常在一个 Pass 中就可以完成对物体的渲染

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延迟渲染路径

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,延迟渲染还会利用额外的G缓冲区, G 缓冲区存储了其他信息，例如该表面的法线、位置、用于光照计算的材质属性等。

延迟渲染使用的Pass数目通常就是两个，这跟场景中包含的光源数目是没有关系 的

在第一个Pass 中，我们不进行任何光照计算，而是仅仅计算哪些片元是可见的，当发现一个片元是可见的，我们就把它的相关信息存储到G缓冲区中,在第二个Pass 中，我们利用 G缓冲区的各个片元信息，进行真正的光照计算。

也就是仅执行像素次的光照计算，而非N*M次，效率依赖于屏幕分辨率，仅将最终通过深度测试后的片段执行光照计算，而非每次深度测试通过就执行

对于延迟渲染路径来说，它最适合在场景中光源数目很多、如果使用前向渲染会造成性能瓶颈的情况下使用，因为它有一些缺点：

  • 不支持真正的抗锯齿 (anti-aliasing) 功能。
  • 不能处理半透明物体。
  • 显卡有一定要求。如果要使用延迟渲染的话，显卡必须支持 MRT (Multiple Render Targets)、 Shader Mode 3.0 及以上、 深度渲染纹理以及双面的模板缓冲

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pass

一个物体（model）应用一个Material（shader），即使用此shader的渲染管线渲染的model，其中Shader可以包含一个或多个Pass，一个Pass代表一次完整的渲染管线流程，即此model每帧被渲染pass次，

光源类型

我们之前一直模拟的是最简单的平行光，Unity 一共支持4种光源类型：平行光、点光源、聚光灯和面光源(arealigb t)（面光源仅在烘焙时才可发挥作用）

shader中最常使用的光源属性有光源的位置、方向 ,颜色、强度以及衰减

平行光：只有3个属性，方向，颜色，强度

点光源：位置，颜色，强度，衰减（球形）

聚光灯：位置，方向，颜色，强度，衰减

前向渲染路径处理不同光源类型实践

目标:物体受到平行光和一个点光源影响

由于使用了多个光源，我们需要多个pass，首先在’orwardBase中计算平行光，在ForwardAdd计算点光源，

还使用Blend命令开启和设置了混合模式，这是因为，我们希望Additional Pass计算得到的光照结果可以在帧缓存中与之前的光照结果进行叠加。如果没有使用Blend命令的话，Additional Pass会直接覆盖掉之前的光照结果

Ad中tionalPass中光照处理几乎和BasePass的处理方式是一样的，只是需要两点，去掉BasePass中环境光、自发光、逐顶点光照、SH光照的部分，并添加一些对不同光源类型的支持

由于Additional Pass处理的光源类型可能是平行光、点光源或是聚光灯，对于位置、方向和衰减这3个属性不同，因此需要根据光源类型分别计算

USING_DIRECTIONAL_LIGHT内置变量判断是否是平行光，defined (POINT)判断是否是点光源，defined (SPOT)判断是否是聚光

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光照衰减

有两种方法可以制造衰减效果：

  • 光照衰减的纹理
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float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1)).xyz;
fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;

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首先通过把顶点坐标变到光源空间，使用这个坐标的模的平方对衰减纹理进行采样，得到衰减值：

  • 数学公式

阴影

在实时渲染中，我们最常使用的是一种名为ShadowMap 阴影映射的技术，将摄像机摆到光源位置渲染，存储深度值（在unity中通过SbadowCaster 的 Pass）到阴影映射纹理中，然后在正常视角渲染，顶点T变换到光空间，与深度值贴图中深度值比较，判断顶点是否在阴影中（如果顶点深度>贴图中深度则在阴影中）

Unity使用了屏幕空间的阴影映射技术 (Screenspace Shadow Map)，首先得到阴影映射纹理（光源视角）以及摄像机的深度纹理（正常视角），根据它们得到屏幕空间的阴影图（如果摄像机的深度图中记录的表面深度大于转换到阴影映射纹理中的深度值，就说明该表面虽然是可见的，但是却处千该光源的阴影中）

想要判断是否在阴影中，需要将顶点先变换到屏幕空间中，根据阴影图采样，把采样结果和最后的光照结果相乘来产生阴影效果。

不透明物体的阴影：

在light的shadow type选择阴影类型

通过设置Mesh Renderer 组件中的CastShadows（投射：加入到光源的阴影映射纹理的计算中，如果设置为two silder允许对物体的所有面都加入计算，否则默认会剔除背面） 和 Receive Shadows 属性（接收：是否让物体接收来自其他物体的阴影,从阴影映射纹理采样阴影值）

使用了我们自定义的shader，可是没有使用ShadowCaster 的 Pass，为什么可以投射阴影呢？因为Fallback的内置的Specular，Specular的Fallback调用了Vertex.Lit(Unity 内置的着色器,包含 SbadowCaster的 Pass )，因此就可以作为投射物体之一

现在它可以向其他物体投射阴影，但想要它接收来自其他物体的阴影，需要修改我们的代码，

内置宏TRANSFER_SHADOW:计算顶点对应的阴影纹理坐标，在顶点着色器的输出结构体v2f中添加了一个内置宏SHADOW_COORDS（用于对阴影纹理采样的坐标），内置宏 SHADOW ATTENUATION: 计算阴影值（将获得的阴影值与光照结果相乘）

统一计算

我们都是把光照衰减因子和阴影值及光照结果相乘得到最终的渲染结果。那么，是不是可以有一个方法可以同时计算两个信息呢？内置的UNITY_LIGHT _ATTENUATION宏

透明度物体的阴影

如果使用内置的VertexLit 中的 ShadowCaster，往往无法得到正确的阴影。

在原来的透明度测试shader中修改，加入3个计算阴影的内置宏

FallBack “Transparent/Cutout/VertexLit”这是一个包含透明度测试功能的 ShadowCaster Pass

但是，这样的结果仍然有一些问题,默认情况下仅考虑物体的正面,因此不要忘记将MeshRenderer组件中的CastShadows属性设置为Two Sided,

在Unity 中，所有内置的半透明 Shader是不会产生任何阴影效果的，但是，我们 可以使用一些 dirty trick 来强制为半透明物体生成阴影，这可以通过把它们的 Fallback 设置为VertexLit、 Diffuse 这些不透明物体使用的 Unity Shader

不透明物体阴影，透明物体阴影

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Unity_Shader
shader
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