Lights

Single-Pass Forward Rendering

• 實現(xiàn) diffuse shading.
• 支持 directional（方向光）, point（點光源）, and spotlights（聚光燈）.
• 每幀可允許最多16個可見光參與渲染
• 每個物體可以最多由4個像素光和4個頂點光參與計算光照。

這是本系列教程的第三篇，在這一篇中，我們將實現(xiàn)每個物體由8個光源進行shading且僅消耗一個draw call。

1. Shading With a Light

為了渲染光照，我們得為我們的渲染管線加入一個最基礎的lit shader。光照渲染可以非常簡單，比如只包括光的漫反射，也可以非常非常復雜，比如基于物理的渲染（PBS）。我們現(xiàn)在先從最基礎的開始，只計算方向光的漫反射，不考慮陰影。

1.1 Lit Shader

復制Unlit.hlsl并重命名為Lit.hlsl. 在文件中，用lit代替unlit，尤其是定義vertex和fragment 函數(shù)的名字。

?同樣復制Unlit.shader并重命名為Lit.shader. 在文件中，用lit代替unlit。

現(xiàn)在我們可以通過新建的lit shader創(chuàng)建material了，雖然目前渲染的效果和unlit一樣（沒寫呢還當然一樣）

1.2 Normal Vectors

為了計算方向光，我們需要知道表面的法線。我們?yōu)関ertext函數(shù)的輸入和輸出結(jié)構體添加法線信息。

我們假設物體使用統(tǒng)一的scale，因此用3X3 模型矩陣簡化法線的坐標變換，如果不是統(tǒng)一的scale，我們需要用world to object的轉(zhuǎn)置矩陣進行計算（具體原理可以搜索其他資料，法線的坐標變換）。坐標變換后在fragment函數(shù)中進行歸一化。

為了證明我們獲得了正確的法線信息，我們在fragment函數(shù)中輸出法線看看效果

1.3 Diffuse Light

漫反射由光照與表面法線的角度夾角決定，目前我們先硬編碼，將光照的方向設置為 （0 ，1，0）。

2. Visible Lights

為了使用場景中的光源，我們的渲染管線需要將光源數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PU中，場景中可能存在多光源，所以我們也需要支持多光源的渲染。Unity中默認的渲染管線會為每個物體每個光源分配一個pass進行渲染（M?X N 即M個物體N個光源需要M X N個Pass)。LWRP渲染管線則對每個物體只使用一個Pass渲染所有光源。HDRP則使用Deferred rendering，先渲染所有物體的表面信息，再對每個光源使用一個pass進行渲染。

在本文里，我們使用和LWRP相同的策略，對每個物體用一個pass渲染所有光源，所以要求我們將當前可見的所有光源信息傳輸?shù)紾PU，那些雖然在場景中，但是對物體沒有產(chǎn)生任何影響的光源將被忽略不參與計算。

2.1 Light Buffer

在一個Pass中渲染所有光源意味著所有光源的信息必須在同時都準備好，我們目前暫且將所有光源類型限制為方向光，這意味著我們需要知道每個光源的顏色和方向信息。為了支持多光源，我們采用數(shù)組來存儲。我們用一個單獨的buffer存儲光源的信息，給這個buffer命名為_LightBuffer.

然而我們并不能夠在定義數(shù)組時不指定數(shù)組大小，我們聲明一個宏來定義最大可見光源數(shù)量，用它來指定數(shù)組大小

加入一個DIffuseLight函數(shù)，它用傳入進來的光源信息計算Diffuse光照

在LitPassFragment函數(shù)中加入for循環(huán)來支持多光源的渲染?

2.2 Filling the Buffer

現(xiàn)在我們渲染出來的東西還是一片漆黑，這是因為我們還沒把光源數(shù)據(jù)傳進GPU來，我們需要在我們的渲染管線MyPipeline中聲明同樣大小的數(shù)組，再使用Shader.PropertyToID方法獲取shader中相關屬性的引用，

?通過函數(shù)SetGlobalVectorArray操作command buffer，可以將數(shù)組數(shù)據(jù)傳入到GPU中。

?2.3?Configuring the Lights

我們現(xiàn)在是可以將光源數(shù)據(jù)每幀傳輸?shù)紾PU中了，但是現(xiàn)在確依然顯示漆黑，這是因為我們還得先設置數(shù)據(jù)，我們聲明個ConfigureLights函數(shù)來完成這項工作。

在culling剪裁中，Unity同時指出了哪些光源是可見的。這一信息可以從cull結(jié)果中獲得，這一信息以visibleLights名字的list變量存儲在cull結(jié)果中。

finalColor字段存儲了光源的顏色，該顏色數(shù)據(jù)是由光源的color屬性和intensity屬性相乘后的結(jié)果，并經(jīng)過了顏色空間的校正，所以我們可以直接使用該信息將其賦值給visibleLightColors數(shù)組。

然后，unity默認的渲染管線中，intensity定義在gamma空間，我們工作中線性空間，所以通過GraphicsSettings.lightsUseLinearIntensity 屬性我們將其設置為線性空間。

?方向光的光源方向信息可以通過光源的旋轉(zhuǎn)信息獲得，光源的方向是它的z軸方向。我們可以通過VisibleLight.localtoWorld矩陣獲取在世界坐標系中的該信息。這個矩陣的第三列定義了光源的本地Z軸方向。

在shader中我們使用從物體朝向光源的向量方向進行計算，所以將獲得的光源方向進行取反操作。

我們的shader目前將會計算四個光源，即使場景中沒有四個光源，也將會計算四次。在場景中加入四個光源后，渲染的效果如下。

在frame debugger中可以查看到傳入GPU的light data。

2.4?Varying the Number of Lights?

當可見光的數(shù)量大于我們設定的maxVisibleLights時，會產(chǎn)生越界的錯誤，所以我們要對邊界條件進行處理，當可見光數(shù)量大于maxVisibleLights時，忽略掉多出的那些光源（Unity光源排序的規(guī)則可以參考其他資料，簡單來講是通過光源的重要程度排序）

我們還要處理的一種情形是當光源數(shù)目由多變少，這時候需要清理重置光源的信息，確保下一幀的正確渲染。

3.?Point Lights

這一節(jié)我們將實現(xiàn)渲染管線中的點光源。

3.1?Light Position

和方向光不同，點光源不關心光的方向而關心光源的位置。我們不另外開辟新數(shù)組存儲位置信息，而是使用之前聲明用于存儲方向光方向信息的數(shù)組來存儲點光源的位置數(shù)據(jù)。在Mypipeline中重新命名該數(shù)組

使用VisibleLight.lightType來判斷當前光源的類型，當是方向光時存入方向信息，當是點光源時存入位置信息。

在shader函數(shù)中，使用該數(shù)據(jù)信息獲取光源位置信息，并傳入worldPos，兩者相減即可獲得光線的方向。

當是方向光時，w是0，當是點光源時w是1，我們利用該性質(zhì)將worldPos 與 w分量相乘，這樣就可以用同一個公式計算點光源和方向光的信息。

為了獲取片段的位置信息，我們需要在shader中進行處理，由vertex函數(shù)輸出到fragement函數(shù)。

至此，我們就可以看到點光源的效果了。

3.2?Distance Attenuation

和方向光不同，點光源要考慮光源強度隨著距離而衰減。這里的衰減關系是距離平方的倒數(shù)。為了避免除數(shù)是0出現(xiàn)錯誤，因此加入一個極小的值0.00001

3.3 Light Range

?點光源還有個屬性是光照范圍。 在范圍外的物體將不會受該光源的影響，雖然在事實上它們可能會被物體照亮，但是用范圍這個屬性，我們可以更好的規(guī)定哪些物體受到該光源到影響，沒有這個范圍屬性限制，所有的光源都會被認為是可見的。

范圍屬性不是突變的而是平滑漸變的，其公式為：

范圍屬性是場景中的數(shù)據(jù)，所以我們也需要將其傳入GPU，這回我們將使用一個新的數(shù)組來存儲它。

像之前做的一樣，把數(shù)據(jù)用command buffer輸入到GPU中

填充數(shù)據(jù)時，我們計算好，將結(jié)果存入數(shù)組后傳入GPU，這樣可以減少GPU的工作。

在shader中計算范圍的影響，進行著色

?

Light fades out based on range

?

4.?Spotlights

接下來我們添加聚光燈光源.聚光燈和點光源很像，但是有方向的限制

4.1?pot Direction

像方向光源，聚光燈也是沿著它的z方向發(fā)射光，但是是一個圓錐形范圍，它也有個位置屬性，所以我們得新添加個數(shù)組來支持聚光燈。

判斷光源類型，如果是聚光燈，將方向信息填入新的數(shù)組中。

?在shader中添加方向數(shù)據(jù)。

4.2?Angle Falloff

聚光燈類型光源也是漸變的衰減，這個范圍可以被定義為一個內(nèi)層的角度和一個外層的角度，從內(nèi)層的角度開始衰減，直到外層衰減到0.

Unity LWRP中，spot light類型光源只允許我們控制其外層角度，其衰減的方法被假定為與外層的角度有一個固定算法。

為了得到fallof，先把spot 光源的角度的一半由角度轉(zhuǎn)換成弧度，并計算其cosine值。

根據(jù)外層的角度計算內(nèi)層的角度的公式以及衰減函數(shù)的公式和計算如下所示：?

?其中衰減函數(shù)可以進行簡化：

?最后在shader中用計算出來的光照進行著色

?為了保證不同類型的光照計算的一致性（用同樣的shader代碼），將w分量設置為1

5.??Lights Per Object

目前我們支持了對一個物體用四個光源進行光照，實際上，無論有幾個光源，目前每個物體都將計算4次，但其實很多時候是不必要的。不如如下的例子。9乘9的方格，共有81個球體，場景中有4個光源在四個角，當光源的范圍并不是很大時，大多數(shù)球體只受到一個光源的影響，甚至有的球體不受到任何影響。

目前81個球體在開啟GPU Instaing的時候?qū)⒅粫囊粋€draw call，但是球體的每個fragment將在fragment shader中計算4次光照，我們應該改進成只計算影響該fragment的光源。

5.1 Light Indices

在Culling期間，Unity也會計算出哪些光是可見的，每個物體受哪些光源的影響的信息可以以光照索引list的形式傳輸?shù)紾PU

Unity目前支持兩種形式的光源索引，第一種是對每個物體，將其受影響的光源存入兩個float4類型變量中。第二種是將所有物體受光源影響的信息以list形式一起存入單獨的buffer中。然而目前Unity 2018.3版本只支持第一種，因此我們采用第一種。

設置rendererConfiguration字段為RendererConfiguration.PerObjectLightIndices8來開啟光源的索引功能。

Unity現(xiàn)在需要為每個物體設置額外的數(shù)據(jù)以提供給GPU，這將會影響到GPU instancing。相較于根據(jù)受影響的光源分組，Unity更傾向于根據(jù)距離分組，另外光源的重要性也會影響到索引的排序，這些都會影響到合批。在我們的這個例子中，會由30個draw call，遠大于1，當然也遠小于81.

索引通過unity_4LightIndices0?and?unity_4LightIndices1引通變量可以獲得，它們應該存在UnityPerDraw Buffer中。另外

unity_LightIndicesOffsetAndCount變量中的Y分量存有當前物體受多少光源影響的數(shù)量。

現(xiàn)在我們可以限制調(diào)用DiffuseLight著色的次數(shù)為實際需要的了，但是我們還需要取出正確的索引來使用。我們目前限制燈光數(shù)量最多為4個，所以只需從unity_4LightIndices0變量中獲取。

限制GPU的開銷變小了，我們只需要計算真正影響到物體的光源，通過frame debugger我們可以查看傳入的光源的數(shù)量以及索引。

現(xiàn)在不在需要使用固定的數(shù)值來循環(huán)計算了，也不需要再去每次清除data。

5.2?More Visible Lights

現(xiàn)在可以支持更多可見的光源，讓我們把場景中最大的可見光源數(shù)量提升到16，但是大部分物體只會受少量光源的影響。修改變量值為16：

對于unity_4LightIndices0變量，最多只能存儲4個值，所以我們要注意不要越界：

但是我們可以不必限制單個物體最多受4個光源的影響，因為我們還可以用unity_4LightIndices1變量。但是我們不能超過8個，這已經(jīng)是對當個物體來講，目前能夠支持最多數(shù)量的光源了：

光源的索引是按照重要程度排序的，對于大多數(shù)物體，后四個光源的影響其實很小，關掉前四個光源的效果，可以查看后四個光源的效果：?

?

5.3?Vertex Lights

由于后四個光源其實并沒有那么重要，我們可以將其計算從fragment函數(shù)中移到vertex函數(shù)中，也就是從逐像素光照改為逐頂點光照，這樣雖然著色的精度會損失一些，但是可以減少GPU的消耗。現(xiàn)在，意味著我們支持4個逐像素光照，4個逐頂點光照，注逐頂點光照的結(jié)果要傳入到fragment函數(shù)中，作為初始值參與光照的計算，和逐像素光照相加后輸出：

5.4?Too Many Visible Lights

盡管目前我們已經(jīng)支持到場景中最多16個光源，但是依然無法避免有可能會存在更多光源的情況。當超出時，我們需要告訴Unity需要將一些光源舍棄以避免數(shù)組的越界。

我們可以通過GetLightIndexMap函數(shù)獲得光源索引的list，修改該list后再通過SetLightIndexMap函數(shù)存回去。Unity將對索引數(shù)組中為-1的值進行忽略，所以我們可以將超出的光源的索引改為-1：

進一步優(yōu)化，我們可以只需要當數(shù)量確實超出時進行該操作：?

?

5.5 Zero Visible Lights

另一個可能性是場景中沒有一個光源，這時為了避免錯誤崩潰，我們需要先判斷場景中的光源數(shù)量大于0再設置drawSettings.rendererConfiguration變量，同時只有在場景中光源數(shù)量大于0的情況下才設置光源數(shù)據(jù)：

?不設置光源數(shù)據(jù)的一個副作用是這些數(shù)據(jù)將一直保持最后一個物體的數(shù)據(jù)，為了避免這個問題，我們需要手動將unity_LightIndicesOffsetAndCount設置為0：

?

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Unity SRP自定义渲染管线 -- 3.Lights的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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