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【光照】Unity[光照探针]的作用与工作原理

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

光照探针的作用

光照探针(Light Probes)是Unity中用于解决动态物体间接光照问题的核心技术,主要作用包括:

  • 为动态物体提供间接光照‌:在静态场景中,动态物体无法直接使用烘焙光照贴图,光照探针通过存储空间中的光照信息,让动态物体也能获得与静态环境一致的间接光照效果。
  • 提升视觉一致性‌:通过插值计算,使移动中的物体能够平滑过渡不同区域的光照氛围,避免光照突变带来的不协调感。
  • 优化性能‌:相比全实时全局光照计算,光照探针使用预计算数据,运行时只需简单插值,性能消耗极低。
  • 支持复杂光照效果‌:能捕捉颜色渗色、柔和阴影等高级光照现象,提升场景真实感。

发展历史

光照探针技术在Unity中的演进可分为三个阶段:

  • 传统光照探针组Light Probe Group‌:早期版本中需要手动放置探针点,形成三维网格覆盖动态物体活动区域。
  • 自适应探针体积Adaptive Probe Volumes‌:在URP中引入的自动化解决方案,根据场景几何密度自动生成探针网格,支持大规模开放世界(Unity6 URP开始支持)。
  • URP探针体积系统‌:进一步优化存储和加载机制,支持流式传输和动态光照切换(如昼夜循环)。

内部实现原理

光照探针的核心技术实现包括以下方面:

  • 数据采集与存储
    • 使用球谐函数(SH)编码存储光照信息,通常采用三阶SH以平衡精度和性能。
    • 每个探针点记录来自各个方向的入射光信息(主要是间接光)。
    • 数据以"砖块"(Brick)结构组织,高密度区域使用4x4x4小网格(间距1-3米),低密度区域使用大网格(间距9-27米)。
  • 运行时插值机制
    • 动态物体的包围盒位置确定其所在的四面体,从四个顶点探针插值获取光照。
    • URP使用每像素8探针采样和三线性插值,消除传统方法的接缝问题。
    • 插值权重基于物体到各探针的距离和相对位置计算。
  • 技术限制
    • 不适合大面积平坦或凹面物体,可能产生光照异常。
    • 无法表现高频光照细节(受SH阶数限制)。
    • 动态物体不会贡献间接光到环境中。

自适应探针体积(APV)

自适应探针体积(Adaptive Probe Volumes)是Unity URP渲染管线中用于优化间接光照烘焙的核心技术,它通过自动化生成探针网格,动态适配场景几何密度,实现高效的光照数据采样与存储‌。

核心特性

  • 自动生成探针网格‌:基于场景几何密度自动生成规则排列的探针点,无需手动放置‌
  • 自适应密度控制‌:高密度区域(如室内细节)使用小间距探针(1-3米),低密度区域(如开放地形)使用大间距探针(9-27米)‌
  • 高质量光照采样‌:每像素从8个最近探针采样数据,通过三线性插值混合结果,消除传统光照探针组的接缝问题‌
  • 流式加载支持‌:支持运行时动态加载/卸载探针数据,适用于开放世界场景‌

与传统光照探针的对比

特性 APV探针体积 传统Light Probe Group
生成方式 自动基于几何密度生成 手动放置
采样精度 每像素8探针采样,无接缝 按物体插值,可能产生接缝
内存管理 自适应优化,支持流式加载 固定密度,内存占用不可控
适用场景 大开放世界、动态物体 小型场景、静态布局

具体使用方法

基础设置流程

  • 启用APV系统‌:
    • 在URP配置文件中(LightProbeSystem)选择APV选项‌
    • 或通过代码:LightProbeSystem.current = new AdaptiveProbeVolumeSystem();
  • 创建探针体积‌:
    • 在场景中创建AdaptiveProbeVolume对象
    • 调整其范围覆盖需要照明的区域‌
    • 设置MinProbeSpacing控制最小探针密度(提高精度)‌
  • 烘焙光照‌:
    • 打开Window > Rendering > Lighting面板
    • 点击Generate Lighting进行烘焙‌
    • 启用Skycclusion以获得环境光照影响‌

高级配置技巧

  • 光源设置‌:
    • 将光源设置为混合或烘焙模式
    • 确保动态物体不标记为Static‌
  • 性能优化‌:
    • 使用Probe Volumes的流式加载功能减少内存占用‌
    • 对移动物体采用"潜在可见集增量更新"策略‌
  • 动态光照切换‌:
    • 通过Lighting Scenes实现昼夜循环等动态光照切换‌
    • 使用脚本控制探针数据的加载/卸载‌

实际应用示例

示例1:室内场景光照设置

csharp
// 创建自适应探针体积
AdaptiveProbeVolume apv = new GameObject("APV_Indoor").AddComponent<ProbeVolumes>();
apv.minProbeSpacing = 1.5f;// 设置高密度探针间距
apv.bounds = new Bounds(transform.position, new Vector3(20, 10, 20));// 设置体积范围// 烘焙光照
LightProbeSystem.current.BakeProbes();

示例2:开放世界流式加载

csharp
// 设置流式加载参数
AdaptiveProbeVolumeSystem system = LightProbeSystem.current as AdaptiveProbeVolumeSystem;
system.streamingDistance = 100f;// 设置流式加载距离
system.streamingPriority = 0.8f;// 设置加载优先级// 动态加载/卸载探针数据
void OnEnable() {system.LoadProbesInRange(transform.position, 50f);
}void OnDisable() {system.UnloadProbesInRange(transform.position, 50f);
}

常见问题解决方案

  • 光照接缝问题‌:
    • 确保MinProbeSpacing设置合理,高变化区域增加探针密度‌
    • 检查物体是否完全包含在探针体积范围内‌
  • 性能优化‌:
    • 使用Probe Volumes的流式加载功能‌
    • 对静态物体使用光照贴图,动态物体使用APV‌
  • 动态物体光照异常‌:
    • 确保动态物体不标记为Static‌
    • 检查探针体积是否覆盖动态物体活动区域‌

URP中的光照探针实现示例

基本设置流程

  • 创建光照探针组‌:
    • 在Hierarchy中右键 > Light > Light Probe Group。
    • 或通过代码:GameObject.AddComponent<LightProbeGroup>()
  • 布置探针点‌:
    • 手动模式:在Scene视图中移动、添加或删除探针点。
    • 自动模式:使用脚本根据场景几何自动生成探针布局。
  • 烘焙光照‌:
    • 确保动态物体不标记为Static。
    • 打开Window > Rendering > Lighting面板,点击Generate Lighting。
  • 验证效果‌:
    • 选择动态物体,Scene视图会显示影响它的探针点(黄色连线)。
    • 移动物体观察光照平滑过渡效果。

高级配置技巧

  • 探针密度优化‌:

    • 高变化区域(如墙角、门窗附近)增加探针密度。
    • 开放空间减少探针数量以节省内存。
  • 混合光照模式‌:

    csharp
    // 在Shader中结合直接光和探针间接光
    UnityLight light;
    light.color = _LightColor0.rgb * atten;
    light.dir = lightDirection;// 获取探针光照
    light.indirect = ShadeSH9(float4(worldNormal,1));// 最终光照计算
    half4 c = UNITY_BRDF_PBS(albedo, specular, oneMinusReflectivity, smoothness,worldNormal, viewDir, light, indirectLight);
    
  • 性能优化‌:

    • 使用Light Probe Proxy Volume处理大型动态物体。
    • 启用Probe Volumes的流式加载功能减少内存占用。

与传统光照探针的对比

特性 URP探针体积 传统Light Probe Group
生成方式 自动基于几何密度生成 手动放置
采样精度 每像素8探针采样,无接缝 按物体插值,可能产生接缝
内存管理 自适应优化,支持流式加载 固定密度,内存占用不可控
适用场景 大开放世界、动态物体 小型场景、静态布局

光照探针技术是Unity URP管线中实现高质量动态光照的关键组件,通过合理配置可以显著提升场景的视觉一致性和运行效率


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