【unity Shader 学习笔记】5-4 GI(全局光照)

yangsenabc12 · 发表于 2023-3-30 20:48

全局光照，(Global Illumination,简称 GI),。
或被称为 Indirect Illumination, 间接光照，是指既考虑场景中直接来自光源的光照（Direct Light）又考虑经过场景中其他物体反射后的光照（Indirect Light）的一种渲染技术。使用全局光照能够有效地增强场景的真实感。
即可以理解为：全局光照 = 直接光照(Direct Light) + 间接光照(Indirect Light)

【05.渲染中光和材质的数学魔法 | GAMES104-现代游戏引擎：从入门到实践】【精准空降到 31:48】
说白了其实就是计算环境内的所有光照，如果只是单纯计算直接光照，那么看起来就不真实。现实生活中，光会在各种物体间折射和反射，这个计算是十分复杂的，所以也就有了平常常听的光线追踪这类的名词。
对于一般的游戏来说，实时计算GI是件非常耗性能的事情。所以一般来说会先进行预计算，也就是提前将场景的光照烘焙到一张名为LightMap 的贴图中，用来记录光照信息以及一些阴影的信息。
unityt中的GI

烘焙GI

在unity 中，选择 Window -> Rendering -> Lighting

将场景中需要烘焙的物体勾上 static标签，点击Lighting 中的计算，会生成对应场景的光照数据以及光照贴图。
如何使用GI

关闭场景光源，显示烘焙好的阴影

先直接贴代码
Shader &#34;Study/Chapter5/MyGlobalGI&#34;
{
Properties
{
}
SubShader
{
      Tags { &#34;RenderType&#34;=&#34;Opaque&#34; }

      Pass
      {
         CGPROGRAM
         #pragma vertex vert
         #pragma fragment frag

// 引入变体是否使用光照贴图
#pragma multi_compile LIGHTMAP_OFF LIGHTMAP_ON
         #include &#34;UnityCG.cginc&#34;
#include &#34;AutoLight.cginc&#34;
         #include &#34;Lighting.cginc&#34;

         struct appdata
         {
            float4 vertex : POSITION;
            float3 normal :NORMAL;
            // 当Back GI 或 Realtime GI 开启时则进行定义 (静态或者动态GI的时候)
            #if defined(LIGHTMAP_ON) || defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
            float4 texcoord1 : TEXCOORD1;
            #endif
         };

         struct v2f
         {
            float4 vertex : SV_POSITION;
            float3 worldPos : TEXCOORD0;
            half3 worldNormal : TEXCOORD2;
            #if defined(LIGHTMAP_ON) || defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
            float4 lightmapUV : TEXCOORD1;
            #endif
         };

         v2f vert (appdata v)
         {
            v2f o;
            o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
            o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
            #if defined(LIGHTMAP_ON)
            o.lightmapUV.xy = v.texcoord1 * unity_LightmapST.xy + unity_LightmapST.zw;
            #endif

            #if defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
            o.lightmapUV.zw = v.texcoord1 * unity_DynamicLightmapST.xy + unity_DynamicLightmapST.zw;
            #endif
            o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
            return o;
         }

         fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
         {
            SurfaceOutput o;
            // UNITY_INITIALIZE_OUTPUT 将类型的参数都初始化为0 (type,name) -> (类型,变量名)
            UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(SurfaceOutput,o)
            o.Normal = i.worldNormal;
            o.Albedo = 1;

            UnityGI gi;
            UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(UnityGI,gi)
            gi.light.color = _LightColor0;
            gi.light.dir = _WorldSpaceLightPos0; // 光照方向
            gi.indirect.diffuse = 0;  //漫反射
            gi.indirect.specular = 0; // 高光

            UnityGIInput giInput;
            UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(UnityGIInput,giInput)
            giInput.light = gi.light;  // 世界光照的颜色
            giInput.worldPos = i.worldPos;  // 当前世界坐标
            giInput.worldViewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.worldPos); //世界坐标到摄像机位置归一向量
            giInput.atten = 1;  //光照衰减平行光默认为1
            giInput.ambient = 0; //  周围光照(环境光？)
            #if defined(LIGHTMAP_ON) || defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
                  giInput.lightmapUV = i.lightmapUV; // lightmapUV 只在烘焙的时候使用
            #endif

            // GI间接光照计算，数据存储在gi中
            gi = UnityGI_Base(giInput,1,o.Normal);
            fixed4 c = LightingLambert(o,gi);
            return c;
         }
         ENDCG
      }
}
}
一般情况下，unity 内置的 Standard 材质，几乎是满足绝大部分的一些材质需求，当然这个也使得材质十分的臃肿，以及过多的变体。不过，如果需要找具体某些功能，还是能够从里面去拆解自己需要的部分。
如果觉得Standard嵌套太多，还可以看下表面着色器生成的代码。表面着色器生成后的代码虽然冗长，但是还是能从中找到需要的内容。

表面着色器shader

Shader &#34;Standard&#34;{
......
Pass
      {
         Name &#34;FORWARD&#34;
         Tags { &#34;LightMode&#34; = &#34;ForwardBase&#34; }
         .......
         #pragma vertex vertBase
         #pragma fragment fragBase
         #include &#34;UnityStandardCoreForward.cginc&#34;

         ENDCG
      }Standard.shader ->  UnityStandardCoreForward.cginc
#include &#34;UnityStandardConfig.cginc&#34;

#if UNITY_STANDARD_SIMPLE
#include &#34;UnityStandardCoreForwardSimple.cginc&#34;
VertexOutputBaseSimple vertBase (VertexInput v) { return vertForwardBaseSimple(v); }
VertexOutputForwardAddSimple vertAdd (VertexInput v) { return vertForwardAddSimple(v); }
half4 fragBase (VertexOutputBaseSimple i) : SV_Target { return fragForwardBaseSimpleInternal(i); }
half4 fragAdd (VertexOutputForwardAddSimple i) : SV_Target { return fragForwardAddSimpleInternal(i); }UnityStandardCoreForward.cginc -> UnityStandardCoreForwardSimple.cginc
half4 fragForwardBaseSimpleInternal (VertexOutputBaseSimple i)
{
......
UnityGI gi = FragmentGI (s, occlusion, i.ambientOrLightmapUV, atten, mainLight);
}UnityStandardCoreForwardSimple.cginc -> UnityStandardCore.cginc
inline UnityGI FragmentGI(......)
{
.......
return UnityGlobalIllumination
}UnityStandardCore.cginc  ->  UnityGlobalIllumination.cginc
inline UnityGI UnityGlobalIllumination(......)
{
UnityGI o_gi = UnityGI_Base(data, occlusion, normalWorld);
}一顿操作，终于翻到最后需要的内容  UnityGI_Base。具体再解析需要的结构数据，一步步传入，最后返回获取的GI数据。
环境光遮蔽 Ambient Occlusion

环境光遮蔽（Ambient Occlusion，简称 AO）是全局光照明的一种近似替代品，可以产生重要的视觉明暗效果，通过描绘物体之间由于遮挡而产生的阴影，能够更好地捕捉到场景中的细节，可以解决漏光，阴影漂浮等问题，改善场景中角落、锯齿、裂缝等细小物体阴影不清晰等问题，增强场景的深度和立体感。
可以说，环境光遮蔽在直观上给玩家的主要感觉体现在画面的明暗程度上，未开启环境光遮蔽特效的画面光照稍亮一些；而开启环境光遮蔽特效之后，局部的细节画面尤其是暗部阴影会更加明显一些。

而且大部分游戏实际会将阴影直接画在贴图上，或者是额外的贴图做阴影高光等特殊的处理。

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