光照探針是Unity中解決動態物體間接光照的核心技術，通過預計算存儲空間光照信息，使動態物體獲得與靜態環境一致的照明效果。UnityURP中的光照探針技術經歷了從手動放置到自適應探針體積(APV)的演進，APV能自動根據場景幾何密度生成探針網格，支持高密度區域精細采樣和開放世界流式加載。該技術使用球諧函數編碼光照數據，運行時通過三線性插值實現平滑過渡，在保證視覺質量的同時優化性能。雖然存在對高頻光照細節表現不足等限制，但通過合理配置探針密度和范圍，可有效提升場景真實感和運行效率。

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

光照探針的作用

光照探針(Light Probes)是Unity中用于解決動態物體間接光照問題的核心技術，主要作用包括：

• ?為動態物體提供間接光照?：在靜態場景中，動態物體無法直接使用烘焙光照貼圖，光照探針通過存儲空間中的光照信息，讓動態物體也能獲得與靜態環境一致的間接光照效果。
• ?提升視覺一致性?：通過插值計算，使移動中的物體能夠平滑過渡不同區域的光照氛圍，避免光照突變帶來的不協調感。
• ?優化性能?：相比全實時全局光照計算，光照探針使用預計算數據，運行時只需簡單插值，性能消耗極低。
• ?支持復雜光照效果?：能捕捉顏色滲色、柔和陰影等高級光照現象，提升場景真實感。

發展歷史

光照探針技術在Unity中的演進可分為三個階段：

• ?傳統光照探針組Light Probe Group?：早期版本中需要手動放置探針點，形成三維網格覆蓋動態物體活動區域。
• ?自適應探針體積Adaptive Probe Volumes?：在URP中引入的自動化解決方案，根據場景幾何密度自動生成探針網格，支持大規模開放世界（Unity6 URP開始支持）。
• ?URP探針體積系統?：進一步優化存儲和加載機制，支持流式傳輸和動態光照切換(如晝夜循環)。

內部實現原理

光照探針的核心技術實現包括以下方面：

• 數據采集與存儲
  • 使用球諧函數(SH)編碼存儲光照信息，通常采用三階SH以平衡精度和性能。
  • 每個探針點記錄來自各個方向的入射光信息(主要是間接光)。
  • 數據以"磚塊"(Brick)結構組織，高密度區域使用4x4x4小網格(間距1-3米)，低密度區域使用大網格(間距9-27米)。
• 運行時插值機制
  • 動態物體的包圍盒位置確定其所在的四面體，從四個頂點探針插值獲取光照。
  • URP使用每像素8探針采樣和三線性插值，消除傳統方法的接縫問題。
  • 插值權重基于物體到各探針的距離和相對位置計算。
• 技術限制
  • 不適合大面積平坦或凹面物體，可能產生光照異常。
  • 無法表現高頻光照細節(受SH階數限制)。
  • 動態物體不會貢獻間接光到環境中。

自適應探針體積(APV)

自適應探針體積(Adaptive Probe Volumes)是Unity URP渲染管線中用于優化間接光照烘焙的核心技術，它通過自動化生成探針網格，動態適配場景幾何密度，實現高效的光照數據采樣與存儲?。

核心特性

• ?自動生成探針網格?：基于場景幾何密度自動生成規則排列的探針點，無需手動放置?
• ?自適應密度控制?：高密度區域(如室內細節)使用小間距探針(1-3米)，低密度區域(如開放地形)使用大間距探針(9-27米)?
• ?高質量光照采樣?：每像素從8個最近探針采樣數據，通過三線性插值混合結果，消除傳統光照探針組的接縫問題?
• ?流式加載支持?：支持運行時動態加載/卸載探針數據，適用于開放世界場景?

與傳統光照探針的對比

特性	APV探針體積	傳統Light Probe Group
生成方式	自動基于幾何密度生成	手動放置
采樣精度	每像素8探針采樣，無接縫	按物體插值，可能產生接縫
內存管理	自適應優化，支持流式加載	固定密度，內存占用不可控
適用場景	大開放世界、動態物體	小型場景、靜態布局

具體使用方法

基礎設置流程

• ?啟用APV系統?：
  • 在URP配置文件中(LightProbeSystem)選擇APV選項?
  • 或通過代碼：LightProbeSystem.current = new AdaptiveProbeVolumeSystem();
• ?創建探針體積?：
  • 在場景中創建AdaptiveProbeVolume對象
  • 調整其范圍覆蓋需要照明的區域?
  • 設置MinProbeSpacing控制最小探針密度(提高精度)?
• ?烘焙光照?：
  • 打開Window > Rendering > Lighting面板
  • 點擊Generate Lighting進行烘焙?
  • 啟用Skycclusion以獲得環境光照影響?

高級配置技巧

• ?光源設置?：
  • 將光源設置為混合或烘焙模式
  • 確保動態物體不標記為Static?
• ?性能優化?：
  • 使用Probe Volumes的流式加載功能減少內存占用?
  • 對移動物體采用"潛在可見集增量更新"策略?
• ?動態光照切換?：
  • 通過Lighting Scenes實現晝夜循環等動態光照切換?
  • 使用腳本控制探針數據的加載/卸載?

實際應用示例

示例1：室內場景光照設置

csharp
// 創建自適應探針體積
AdaptiveProbeVolume apv = new GameObject("APV_Indoor").AddComponent<ProbeVolumes>();
apv.minProbeSpacing = 1.5f;// 設置高密度探針間距
apv.bounds = new Bounds(transform.position, new Vector3(20, 10, 20));// 設置體積范圍// 烘焙光照
LightProbeSystem.current.BakeProbes();

示例2：開放世界流式加載

csharp
// 設置流式加載參數
AdaptiveProbeVolumeSystem system = LightProbeSystem.current as AdaptiveProbeVolumeSystem;
system.streamingDistance = 100f;// 設置流式加載距離
system.streamingPriority = 0.8f;// 設置加載優先級// 動態加載/卸載探針數據
void OnEnable() {
    system.LoadProbesInRange(transform.position, 50f);
}

void OnDisable() {
    system.UnloadProbesInRange(transform.position, 50f);
}

常見問題解決方案

• ?光照接縫問題?：
  • 確保MinProbeSpacing設置合理，高變化區域增加探針密度?
  • 檢查物體是否完全包含在探針體積范圍內?
• ?性能優化?：
  • 使用Probe Volumes的流式加載功能?
  • 對靜態物體使用光照貼圖，動態物體使用APV?
• ?動態物體光照異常?：
  • 確保動態物體不標記為Static?
  • 檢查探針體積是否覆蓋動態物體活動區域?

URP中的光照探針實現示例

基本設置流程

• ?創建光照探針組?：
  • 在Hierarchy中右鍵 > Light > Light Probe Group。
  • 或通過代碼：GameObject.AddComponent<LightProbeGroup>()。
• ?布置探針點?：
  • 手動模式：在Scene視圖中移動、添加或刪除探針點。
  • 自動模式：使用腳本根據場景幾何自動生成探針布局。
• ?烘焙光照?：
  • 確保動態物體不標記為Static。
  • 打開Window > Rendering > Lighting面板，點擊Generate Lighting。
• ?驗證效果?：
  • 選擇動態物體，Scene視圖會顯示影響它的探針點(黃色連線)。
  • 移動物體觀察光照平滑過渡效果。

高級配置技巧

• ?探針密度優化?：

  • 高變化區域(如墻角、門窗附近)增加探針密度。
  • 開放空間減少探針數量以節省內存。

• ?混合光照模式?：

  csharp
  // 在Shader中結合直接光和探針間接光
  UnityLight light;
  light.color = _LightColor0.rgb * atten;
  light.dir = lightDirection;
  
  // 獲取探針光照
  light.indirect = ShadeSH9(float4(worldNormal,1));
  
  // 最終光照計算
  half4 c = UNITY_BRDF_PBS(albedo, specular, oneMinusReflectivity, smoothness,
                         worldNormal, viewDir, light, indirectLight);
  

• ?性能優化?：

  • 使用Light Probe Proxy Volume處理大型動態物體。
  • 啟用Probe Volumes的流式加載功能減少內存占用。

與傳統光照探針的對比

特性	URP探針體積	傳統Light Probe Group
生成方式	自動基于幾何密度生成	手動放置
采樣精度	每像素8探針采樣，無接縫	按物體插值，可能產生接縫
內存管理	自適應優化，支持流式加載	固定密度，內存占用不可控
適用場景	大開放世界、動態物體	小型場景、靜態布局

光照探針技術是Unity URP管線中實現高質量動態光照的關鍵組件，通過合理配置可以顯著提升場景的視覺一致性和運行效率

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