Unity URP光照烘焙系統通過預計算全局光照(GI)將靜態光源效果存儲在光照貼圖中，運行時直接采樣以提升性能。支持實時、烘焙和混合三種模式，其中混合模式結合烘焙與實時計算優勢。核心技術基于輻射度算法和光子映射，通過光照貼圖采樣和光照探針對動態物體進行處理。優化方案包括調整UV參數、使用Shadowmask模式和控制附加光源數量等。該技術源自Unity傳統光照系統，經過多次迭代，在移動端和中低端硬件平臺能有效平衡視覺效果與性能表現。

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

URP光照烘焙介紹

Unity通用渲染管線(URP)的光照烘焙系統是用于預計算全局光照(GI)的核心技術，它將靜態光源的光照效果預先計算并存儲在光照貼圖(Lightmap)中，運行時直接采樣使用以提高性能。URP支持三種光源模式：

• ?Realtime實時模式?：
  • 完全動態計算，不生成光照貼圖，適用于高頻移動光源或需要實時互動的場景。
• ?Baked烘焙模式?：
  • 完全離線烘焙到光照貼圖中，運行時無實時計算，適合靜態環境光。
• ?Mixed混合模式?：
  • 結合烘焙與實時計算的優勢，包括三種子模式：
  • Baked Indirect：烘焙間接光照，直接光和陰影實時計算
  • Subtractive：烘焙直接光和陰影，動態物體通過Light Probe接收光照
  • Shadowmask：烘焙間接光+陰影貼圖，實時計算直接光

歷史發展

URP的光照烘焙技術源自Unity傳統的Enlighten和Progressive光照系統，經過多次迭代：

• 早期版本主要依賴Enlighten光照系統
• 2018年后引入Progressive光照烘焙器(CPU/GPU)
• URP 7.x版本開始支持StructuredBuffer優化光源處理
• 最新版本支持Shadowmask混合模式，平衡效果與性能

內部實現原理與數學公式

光照烘焙核心算法

光照烘焙主要基于輻射度算法(Radiosity)和光子映射(Photon Mapping)，核心數學公式包括：

?輻射傳輸方程?：

$L_o(x,ω_o) = L_e(x,ω_o) + ∫_Ω f_r(x,ω_i,ω_o)L_i(x,ω_i)(n·ω_i)dω_i$

其中：

• $L_o$：出射輻射度
• $L_e$：自發光輻射度
• $f_r$：雙向反射分布函數(BRDF)
• $L_i$：入射輻射度
• $(n·ω_i)$：余弦項

?光照貼圖采樣?：

float3 SampleLightMap(float2 lightMapUV) {
    #if defined(LIGHTMAP_ON)
    return SampleSingleLightmap(TEXTURE2D_ARGS(unity_Lightmap, samplerunity_Lightmap),
        lightMapUV, float4(1.0, 1.0, 0.0, 0.0),
        #if defined(UNITY_LIGHTMAP_FULL_HDR)
        false,
        #elsetrue,
        #endif
        float4(LIGHTMAP_HDR_MULTIPLIER, LIGHTMAP_HDR_EXPONENT, 0.0, 0.0));
    #elsereturn 0.0;
    #endif
}

動態物體光照處理

動態物體通過Light Probe接收烘焙光照，采樣使用球諧函數(SH)：

float3 SampleLightProbe(Surface surfaceWS) {
    #if defined(LIGHTMAP_ON)
    return 0.0;
    #elseif(unity_ProbeVolumeParams.x) {
        return SampleProbeVolumeSH4(TEXTURE3D_ARGS(unity_ProbeVolumeSH, samplerunity_ProbeVolumeSH),
            surfaceWS.position, surfaceWS.normal, unity_ProbeVolumeWorldToObject,
            unity_ProbeVolumeParams.y, unity_ProbeVolumeParams.z,
            unity_ProbeVolumeMin.xyz, unity_ProbeVolumeSizeInv.xyz);
    } else {
        float4 coefficients[7];
        coefficients[0] = unity_SHAr;
        coefficients[1] = unity_SHAg;
        coefficients[2] = unity_SHAb;
        coefficients[3] = unity_SHBr;
        coefficients[4] = unity_SHBg;
        coefficients[5] = unity_SHBb;
        coefficients[6] = unity_SHC;
        return max(0.0, SampleSH9(coefficients, surfaceWS.normal));
    }
    #endif
}

具體流程與手動計算示例

光照烘焙流程

• ?場景準備?：
  • 標記靜態物體(勾選Static)
  • 生成光照貼圖UV(Generate Lightmap UVs)
  • 設置光源模式(Baked/Mixed)
• ?烘焙參數設置?：
  • 間接光反彈次數(Max Bounces，通常設為5)
  • 光照貼圖分辨率
  • 啟用環境光遮蔽(AO)
• ?執行烘焙?：
  • CPU或GPU漸進式烘焙
  • 降噪處理
  • 生成光照貼圖和光照探針

手動計算示例

假設一個簡單場景，計算某點P的烘焙光照：

?直接光照計算?：

$L_direct = I * max(0, n·l) / (d2 + 1)$

其中：

• I：光源強度
• n：表面法線
• l：光源方向
• d：距離光源的距離

?間接光照計算?：

$L_{indirect} = Σ (L_{bounce} * albedo / π)$

其中：

• $L_{bounce}$：來自其他表面的反射光
• albedo：表面反射率

?最終光照?：

$L_{final} = L_{direct} + L_{indirect} + L_{emission}$

常見問題與優化

• ?黑斑問題?：因模型沒有光照貼圖坐標或UV重疊導致，需勾選Generate Lightmap UVs并調整Pack Margin。
• ?硬邊問題?：因UV在光照圖中比例太小，需調大Scale In Lightmap參數。
• ?性能優化?：
  • 使用Shadowmask模式平衡效果與性能
  • 控制附加光源數量(PC平臺最多8個)
  • 合理設置陰影距離(Shadow Distance)

URP的光照烘焙系統通過結合預計算和實時計算，在保持良好視覺效果的同時顯著提升了渲染性能，特別適合移動端和中低端硬件平臺

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