【图形学】29 更复杂的光照

来源：《UNITY SHADER入门精要》

1、渲染路径

  我们如果要在 Shader 中计算光源，我们需要为每一个 Pass 指定它所使用的渲染路径，这样才能访问到特定内置变量存储的光源信息。
  Unity中目前保有 4 种渲染路径：

1、Deferred Shading Rendering Path（延迟渲染）
2、Forward Rendering Path（前向渲染）
3、Lagacy Deferred Lighting Rendering Path（遗留的延迟光照）
4、Vertex Lit Rendering Path（顶点光照）

2、针对整个项目渲染路径的改变

  我使用的是 Unity 2021.3.4f1c1 版本，俺已经找不到全局和摄像机RendingPath的设置位置了。

3、Unity支持的渲染路径

  对于每个 Pass 的 LightMode 标签，Unity 支持以下的渲染路径设置：

4、前向渲染（Forward Rendering Path）

①每次渲染的过程

  每一次完整的前向渲染，我们需要 ①渲染该对象的渲染图元②计算颜色缓冲区③计算深度缓冲区。而且，对于每一个不同的光源，我们都要进行一次 Pass 渲染。
  如果场景中有 N 个物体，每个物体受 M 个光源影响，那么整个场景里一共需要 N* M 次 Pass 来完成渲染。
  Unity 中，如果存在多个光源的话，Unity会按照距离、强度和颜色来分配重要程度，具体如何自动分配重要程度的，Unity 官方文档中没有给出说明，当然也可以手动设置 重要程度。

②多个光源的渲染方法

  这里说的 SH（Spherical harmonics 球谐函数）是一种更简单的渲染方式。
  对于 Render Mode 为 Auto 的光源，Unity将以每像素光照模式渲染（A 到 D），然后最多 4 个光源以每顶点光照模式渲染（D 到 G），最后其余光源以 SH 进行渲染（G 到 H）。
  对于设置成 Important 的光源，会按像素处理。
  对于设置成 Not Important 的光源，会按照逐顶点或 SH 的方式处理。

③Unity中渲染光线的Pass

• 对于前向渲染来说，一个Unity Shader通常会定义一个Base Pass（Base Pass也可以定义多次，例如需要双面渲染等情况）以及一个Additional Pass。一个Base Pass仅会执行次（定义了多个Base Pass的情况除外），而一个Additional Pass会根据影响该物体的其他逐像素光源的数目被多次调用，即每个逐像素光源会执行一次Additional Pass。
• 在Additional Pass 的渲染设置中，我们还开启和设置了混合模式。这是因为，我们希望每个Additional Pass可以与上一次的光照结果在帧缓存中进行叠加，从而得到最终的有多个光照的渲染效果。如果我们没有开启和设置混合模式，那么Additional Pass的渲染结果会覆盖掉之前的渲染结果，看起来就好像该物体只受该光源的影响。通常情况下，我们选择的混合模式是 Blend One One。

④内置的光照变量和函数

5、延迟渲染（Deferred Shading Rendering Path）

①概念

  延迟渲染主要包含了两个 Pass。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，这个主要通过深度测试实现，然后进行深度缓冲。当发现一个片元会是可见的，我们就会把相关的信息储存到 G-Buffer 中。然后，在第二个 Pass 中，我们利用 G-Buffer 中各个片元信息，例如：表面发现、视角方向、漫反射系数等，再进行光照计算。
  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没有关系。换言之，延迟渲染的效率不依赖于场景的复杂度，而是和我们使用的屏幕空间大小有关。这是因为，我们需要的信息都存储在缓冲区中，而这些缓冲区可以理解成是一张张2D图像，我们的计算实际上就是在这些图像空间中进行的。

②延迟渲染的缺点

• 不支持真正的**抗锯齿（anti-aliasing）**功能。
• 不能处理半透明物体
• 对显卡有一定要求，显卡必须支持MRT（Multiple Render Targets）、Shader Mode3.0及以上，深度渲染纹理以及双面的模板缓冲。

③延迟渲染的过程

  （1）第一个 Pass 用于渲染 G 缓冲。在这个 Pass 中，我们会把物体的漫反射颜色、高光反射颜色、平滑度、法线、自发光、深度等信息渲染到屏幕空间的 G缓冲区。对于每个物体来说，这个 Pass 仅会执行一次。
  （2）第二个 Pass 用于计算真正的光照模型。会使用上一个Pass中渲染的数据来计算最终的光照颜色，再存储到帧缓冲中。

  默认的 G 缓冲区包含了以下几个渲染纹理（Render Testure，RT）：

• RTO：格式是ARGB32，RGB通道用于存储漫反射颜色，A通道没有被使用。
• RT1：格式是ARGB32，RGB通道用于存储高光反射颜色，A通道用于存储高光反射的指数部分。
• RT2：格式是ARGB2101010，RGB通道用于存储法线，A通道没有被使用。
• RT3：格式是ARGB32（非HDR）或ARGBHalf（HDR），用于存储自发光±lightmap+反射探针（reflection probes）。
• 深度缓冲和模板缓冲。

④Unity延迟渲染中可以使用的内置变量

  可使用的内置变量和函数可以在 UnityDeferred Library.cginc 文件

6、顶点光照（Vertex Lit Rendering Path）

  旧了，不太使用了。更多比较可以查看官方文档：https://docs.unity3d.com/cn/current/Manual/RenderingPaths.html 。

7、前向渲染的Unity实现

  如果我们想要修改 Unity前向渲染中的逐像素渲染的个数的话，Edit -> Project Settings -> Quality -> Pixel Light Count，默认是 4。可以自行修改。