Unite 2019｜Unity的光照烘焙技术（上）

本文将分享Unity的技术美术李万里在Unite Shanghai 2019大会的演讲内容，他将深入浅出的带领你了解Unity的光照烘焙技术。


演讲内容

今天很高兴和大家分享我工作这么多年来对Unity光照的理解和认识。

首先我将介绍一些概念，然后慢慢的深入给大家讲解，如何使用Unity的Progressive工具去正确的烘焙光照以及设置一些光照。

为什么谈谈Unity光照呢？

因为我发现很多客户对Unity的光照烘焙技术了解都存在问题。他们认为Unity的光照不好，没有别的引擎效果好，或者存在其它的问题。但大家通过参加Unite 2019大会，看到了不少Unity高品质的一些画质。

本次演讲，我将主要给大家分享在Unity的内置渲染管线和轻量级渲染管线LWRP下，如何正确烘焙光照。


Unity的光照和烘焙是每个制作游戏的人都非常重视的，因为它的效果决定了游戏品质。

前些年，由于受困于性能限制，很多使用Unity开发的游戏是没有光照的，主要是靠手绘贴图。由于计算性能的提高和移动平台的高性能，现在我们可以制作出前几年主机平台上的游戏品质。

所以光照烘焙在游戏开发者领域是一个越来越重要的问题，这也是越来越多公司通过招聘技术美术来提升画质的重要原因。


Unity的光照基本上就是分三种：从早期的Enlighten到Progressive CPU，再到Progressive GPU，从发展轨迹可以看出，大家对光照还是偏向光线追踪算法，认为这是未来的发展方向。

因为Enlighten本身不是光线追踪算法，它是一种非常复杂的数学模型算法，而且对美术制作非常不友好，导致很多人使用Enlighten烘焙都效果不佳。


我们说了Unity光照，就不得不说Unity的光照技术。

主光源是：Directional Light、Area Light、Spot Light、Point Light。基本上是目前游戏开发的主流光照，Directional Light和Area Light是使用得最多的，其次是Spot Light常常用于人造光源和特效光源。

SkyLight是Unity很重要的一个功能，这也是很多人烘焙Unity光照最容易出问题的部分。Unity提供Procedural Skybox，这个Skybox基本上会贡献整体光照烘焙Lightmap的80%左右，所以如果不会使用SkyLight，烘培出来的贴图将效果很差。

最后是Light Probe和Reflection Probe，它们是用来提升一些特殊效果和优化性能的。


说到Unity的光照，我们不得不提到一点：Unity从Gamma空间过渡到线性空间，以及现在一直保留的Gamma空间的支持，是为了一些老的项目有版本升级的可持续性，但未来Gamma空间将被淘汰掉。

线性空间的优点是能够容纳更多亮度细节，不需要压缩亮部来提高暗部的效果，亮部的表现力更强，更接近真实的光照效果。由于当年OpenGL ES 2.0时代的整个计算能力有限，所以Gamma空间进行了一些压缩。


我们看一下上面这张图，这就是Procedural Skybox，它重要在哪儿呢？

因为它提供了光照。我们自然界中光照有两个非常重要的概念，一个概念是它有大气的厚度，大气厚度决定色散的情况，对光线的反映。

Sky Tint主要用来计算天空的染色情况，如果空气密度很高，整个天空又染上一些色，它对光线的反应情况。正常情况下，对地球的Sky Tint，只有沙尘暴时才会出现比较奇怪的效果，如果没有沙尘暴的情况下，地球的Sky Tint值比较接近灰度的颜色。

如果在制作异星题材的游戏的话，情况就不太一样，你可能要根据颜色的调整，让大气做一些吸收，这样折算出来的Sky Light会发生一些改变。

Ground基本上是Skybox在模拟地面对物体的影响，如果值很强会让地面失去立体感，计算时底部的光照会很强，导致天花板的区域变亮。所以这个值不要调得特别的高，基本上以灰度为主。

Exposure曝光度的值非常重要，它是天光的强度，基本上可以达到8或更高的倍数，它可以让整个天光变得更强，更强的结果是整个Skybox会非常强。好处是带来更多间接光的强度，但也会带来让受光比较多的地方产生过曝的问题，这是大家需要控制的。

关于Exposure曝光度，建议大家可以跟Atmosphere厚度的值一起调整。如果曝光度增强的时候，可以将大气密度提高，它会形成比较奇怪的现象。在大气足够密的情况下，曝光度很强，大气密度底部会对光线的吸收特别的强，会发生右侧图片发红的情况，这样会计算出一些接近于早晨、晚上的效果。

像左侧这张图，基本上它的大气密度值在1，Exposure值在3，而值在2是另一种效果，它的厚度值在2时，产生了色彩上的变化，这个变化是在模拟物理的效果。


Directional Light在移动游戏开发中常常用作太阳和月亮的首选光源，因为它能够覆盖整个场景，计算的时候非常节省性能。

直接光强度在线性空间下，我们建议白天为1.5－2.0，夜晚为0.4－1.0。Indirect Multiplier值，白天为0.6－1.0，夜晚为0.3－0.7。白天获得的直接光照比晚上的要强，这样白天会产生更好的间接光亮度。


我们看一看烘焙的效果。如上图所示，在白天的设置下，Intensity是1.8，Indirect Multiplier是1，Atmosphere Thickness是1，Exposure是3，这样我们获得了白天光照很好的房间。

如果设置正确，它应该会出现很好的GI效果，而且不会之前认为，在Unity光照中，有些暗部和间接光不是很好，缺乏全局照明的层次感。


上图就是夜晚的设置效果。在设置中，Intensity是0.4，Indirect Multiplier是0.25，Atmosphere Thickness是1，Exposure是0.1，基本上设置的数值都会往下降。特别是降低曝光度后，我们会得到月光的效果，但是它也有间接照明。


上图是人造光源的效果。Unity提供的除了常用的Point Light、Spot Light，还有一个就是Emissive自照明。Unity支持物体的像素照明，可以将物体的Emissve HDR值提高，提高以后就形成一个光源。

像灯管基本上就是一个Emissve照明的效果，它对房间进行了增强和补亮。为了体现夜晚效果的叠加，上图设置没有调得特别强，如果你希望更亮一些，可以在上面增加Area Light，进行补光。

如下图所示，我们可以看到Area Light关掉和开启的效果对比。


Area Light主要用途是什么呢？

如果大家比较观察细节，可以发现窗户的采光，除了太阳光照，有可能窗户外面世界亮的东西，都会发射光线进入房间。但是在计算机不会这样计算。因此，我们需要在窗户边上做一个同样大小的Area Light，往房间里面补光。

在补光之后，你会看到，尤其是在光照贴图的一侧，Area Light关掉和开启会有明显的视觉效果差异。这是因为右侧的区域没有Area Light，它不是非常仿真物理效果，如果加了Area Light，它会很仿真物理。


光照贴图的一个问题是，它们做的都是间接光，间接光一定不能将光照贴图曝掉，或者曝光度严重不足。所以我们需要一个间接光的空间去存储这些间接光信息。

如上图所示，如果间接光非常的亮，会导致我们看到的最右侧的图像效果。曝光那么多的时候，间接光贴图就损失掉了。

我们建议把Light Intensity设为1.8，HDR Exposure为16，或者Intensity等于3，HDR Exposure为16的曝光度效果。这样既能保证场景的亮度，又能让整体光照没什么问题。


了解一些Unity光照概念后，我们应该如何烘培呢？

如果你设置了很多烘培，但基于性能考虑可能不需要那么多物体需要烘培，不优化会导致场景中很多不需要烘培的物体烘培了光照贴图。

烘培完成后，光照贴图可能会非常大，特别对于一些移动游戏，没办法使用那么多贴图，所以正确的烘培也是非常重要的。


首先说一下Unity的Enlighten系统，它的一个优点是支持实时光GI。在构建过程中，构建光照条件后，我们可以调节光照的强度和方向，还可以移动光源。

但是它不能移动物体。如果静态模型要移动，Enlighten实时GI是不支持的，因为它需要构建光照环境，这就限制了Enlighten不是一个纯实时的GI，它是半实时的。

如果Enlighten使用不好，烘培速度会非常慢，我们通常会发现烘培卡在一个地方不动，慢到都想把电脑砸了，这种情况非常常见。所以大家必须按照Enlighten正确的方法去烘培才会比较快。

Enlighten好处是噪点控制非常好，如上图所示，画面的边缘没有太多的噪点，因为Enlighten的计算方式是不太会出现噪点的，它不是光线追踪算法，也不依赖于光子弹射。

Unity 5开始集成Enlighten，但Unity 2020 LTS版将是在内置渲染器包含Enlighten系统的最后一个版本，Unity 2021.1将完全移除Enlighten。


Progressive烘焙基于光线追踪，发射的一个光子弹射了多少次，弹射时分裂多少光子，再进行弹射。

Progressive的优点是：真实、GPU烘焙、烘培速度快。在同等的模型数量下，Progressive的计算速度比Enlighten快很多。Progressive的缺点是噪点控制比较差，当光子发射量不够时，它无法充满整个场景，因此无法计算出正确的光照。


如上图所示，我们来看看Progressive和Enlighten的烘培的差异。

Progressive和Enlighten的烘培时间基本上是相等的。Progressive会有一些斑点，Enlighten几乎没有斑点。但Enlighten的问题的缺乏细节，效果过于程序化。如果这是一个深邃的洞穴，过渡到最后面画面会变成黑色，几乎没有了。


如上图所示，这是我们提高Progressive的计算光子时烘培效果对比。Progressive会更加立体，更真实一些，Enlighten比较轻一些，或者说立体感不是那么足。


如上图所示，这是Progressive和Enlighten烘培后整体的预览效果，差异还是比较明显的。


如上图所示，这是一些烘培参数，当Direct Samples＝40和Indirect Samples＝400，对比Direct Samples＝100和Indirect Samples＝800，我们可以看到效果差异明显。

Direct Samples和Indirect Samples等同于直接光的采样数量和间接光的采样数量。如果采样越多，光子出现得越多，它就会将整个环境填得更加均匀，更加符合真实的世界。

真实世界的光子是无限的，在计算机模拟的时候是靠光子的数量来模拟的，所以我们尽可能在烘培的时候要把光子数量提高，这样会得到较好的效果。

使用Progressive时最大的问题是：在室内的情况下，要尽可能把整个烘培的精度提高，因为室内低频光比较多，间接光受到的影响比较多，室外可以稍微降低该值，提高烘焙效率。

现在谈谈Unity的光照方案。


移动游戏方面，建议大家使用混合光照技术，效率更高和更为逼真。近景可以使用动态阴影，远景使用Shadow Mask，这样可以降低Shadow Pass的压力。

例如：5-20米是使用动态阴影，远景全部使用Shadow Mask，这样手机平台上既可以获得动态阴影，又可以获得高的性能，不至于手机玩一会儿就会很烫的情况发生。

我们看一看混合光照的拆分情况。


如上图所示，Baked Lightmap和Shadow Mask在烘培后，一个是RGB通道的图，另一个是单通道。如果大家有能力修改，我们可以将单通道的图变成四通道来进行变化。

我们烘焙一个Lightmap的时候，Shadow Mask可以烘培四个时间段，例如：8点、11点、15点、17点。烘培完成后，我就可以通过Lit的方式把它Lit成变化，使它有间接光照。

Lightmap只使用一套，但我们可以对它进行扩展。Shadow Mask根据昼夜变化的时间，做成四套带有间接光照的，这样便可以根据项目进行深度的改进。

小结

受篇幅限制，我们将本次演讲内容分为上下二篇。在下一篇中，我们将分享不同的场景案例如何进行光照烘培的优化。


来源：Unity官方平台
原地址：https://mp.weixin.qq.com/s/k9QNzM4QfEuCCiej_nDtPg