Unity3D-Rendering Paths（渲染路徑）及LightMode（光照模式）

簡(jiǎn)述

U3D支持不同的Rendering Path(渲染路徑)，開(kāi)發(fā)者應(yīng)該根據(jù)游戲內(nèi)容和目標(biāo)平臺(tái)，硬件等來(lái)選擇使用哪個(gè)Rendering Path。不同的Rendering Path具有不同的表現(xiàn)效果，這些不同之處多體現(xiàn)在光照和陰影方面。查閱Render Pipeline獲取更多的細(xì)節(jié)。

可以在Editor-->Project Setting-->Graphics中設(shè)置默認(rèn)的Rendering Path，也可以針對(duì)單獨(dú)的Camera進(jìn)行設(shè)置。

如果目標(biāo)平臺(tái)的顯卡不能處理所選擇的硬件，那么Unity會(huì)自動(dòng)過(guò)渡至低保真檔次Rendering Path去。比如有的GPU不能處理Deferred Shading，那就會(huì)自動(dòng)采用Forward Rendering。

下面按從高效果至低效果的順序開(kāi)始講解不同的Rendering Path。

Deferred Shading Rendering Path

概述

由于在移動(dòng)開(kāi)發(fā)中并不常用Deferred Shading，故本節(jié)不細(xì)述。

Shader中使用的LightMode Pass Tag: Deferred

Deferred Shading擁有最佳的光照和陰影效果。當(dāng)場(chǎng)景中存在許多的實(shí)時(shí)光照時(shí)，使用Deferred Shading也是最佳的方案。當(dāng)然Deferred Shading對(duì)硬件的要求稍高。

Deferred Shading是一種屏幕空間著色技術(shù)，之所以叫做Deferred（延遲的，延期的），是因?yàn)镾hading的時(shí)機(jī)不是發(fā)生在第一個(gè)Pass的Vertex和Pixel/Fragment函數(shù)內(nèi)，而是存在延遲，直到第二Pass的時(shí)候才執(zhí)行。

Deferred Shading對(duì)影響物體的光源數(shù)量沒(méi)有限制，所有的光源都是Per-Pixel（逐像素）光照，即所有光源都可以正確的和法線貼圖得到正確的計(jì)算結(jié)果。另外，所有的光源都可以有Light Cookie和陰影。其性能開(kāi)銷與光源數(shù)量成正比，這意味著可以通過(guò)控制光照面積，減少單個(gè)物體受到光照影響的數(shù)量來(lái)獲得性能方面的提升。Deferred Shading的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果能夠很方便的預(yù)測(cè)，被個(gè)光源都是逐像素光照，具有一致的光照計(jì)算過(guò)程。

缺點(diǎn)在于，其不能真正的支持抗鋸齒以及半透明物體（半透明物體是用 Forward Rendering 渲染路徑）。同時(shí)也不支持Unity3D中的Mesh Renderer組件的Receive Shadows功能，對(duì)Culling Masks的支持也不完善，最多能使用四個(gè)Culling Mask。

Q： 什么是Light Cookie？
A： Light Cookie又被稱作Cucoloris。是一種應(yīng)用在電影攝制時(shí)的小技巧，如下兩張圖，具體的解釋可以查看Wiki，Unity3D中的應(yīng)用可以查看Unity3D Cookies手冊(cè)或Unity3d Spot Light Cookie，Unity3D中的實(shí)現(xiàn)視頻過(guò)程可以點(diǎn)擊這里：

要求

顯卡應(yīng)支持Multiple Render Targets(MRT)，Shader Model 3.0（及更高），Depth Render Textures。大多數(shù)產(chǎn)于2006年以后的PC顯卡都支持本功能。
因?yàn)閷?duì)MRT功能支持的缺失，本功能在移動(dòng)端不受支持。（有的GPU支持，但是支持的程度也非常有限。）
注意：當(dāng)使用Orthographic projection（正交投影）時(shí)Deferred rendering不適用。當(dāng)使用正交投影時(shí)會(huì)降至 Forward Rendering。

性能方面

性能方面的影響取決于物體受光源影響的數(shù)量，而不是場(chǎng)景的復(fù)雜度。小面積的點(diǎn)光源或聚光燈，或光源被部分或完全摭擋，可以在很好的降低性能開(kāi)銷。

有陰影的光源開(kāi)銷更大，在Deferred rendering中，受到投影光源影響的，且可投影的物體依然是要對(duì)影響其的每個(gè)投影光源都進(jìn)行計(jì)算。具有陰影的光照Shader也肯定比沒(méi)有陰影的開(kāi)銷更大。

Forward Rendering Rendering Path

概述

Shader中使用的LightMode Pass Tag: ForwardBase和ForwardAdd
當(dāng)Forward不可以用時(shí)會(huì)以Legacy Vertex Lit Rendering Path的效果進(jìn)行渲染

Forward是傳統(tǒng)渲染路徑。支持所有的Unity圖形特性。在默認(rèn)情況下，只有少數(shù)最亮的光源得以成為Per-Pixel光源。其他的光源則視為Per-Vertex。

取決于影響物體的光源數(shù)量，F(xiàn)orward 在單個(gè)或多個(gè)Pass內(nèi)渲染物體。需要注意的是，光源根據(jù)設(shè)置或強(qiáng)度的不同，本身也會(huì)具有不同的特性。

使用指南

Forward下，一些（視Quality Setting里面的設(shè)置而定）最亮的光源渲染物體時(shí)以Per-Pixel的方式進(jìn)行。緊接著可有四個(gè)光源為Per-Vetex光源。其余的光源都以球諧函數(shù)（SH：Spherical Harmonics）進(jìn)行計(jì)算，可以高效但是粗略的得到計(jì)算結(jié)果。無(wú)論光源是不是Per-Pixel的都依賴以下規(guī)則：

• 光源的Render Mode設(shè)為Not Important的，則不是Per-Pixel光源
• 最亮的平行光是Per-Pixel光源
• 光源的Render Mode設(shè)為Important的，則為Per-Pixel光源
• 如果場(chǎng)景中的per-pixel光源數(shù)量少于Quality Setting中的Pixel Light Count設(shè)置的數(shù)量，則會(huì)按光照強(qiáng)度從強(qiáng)至弱的順序，將更多的光源設(shè)置為per-pixel。

渲染每個(gè)物體時(shí)會(huì)依以下規(guī)則：

• Base Pass只會(huì)用到一個(gè)per-pixel光源，以及所有其它Per-Vertex光源或SH光源
• 其它的per-pixel光源則在Additional Pass中渲染，并且每個(gè)Pass對(duì)應(yīng)一個(gè)per-pixel光源

例如有物體受到如下A-H光源的影響：

假設(shè)所有光源都有相同的強(qiáng)度和顏色，并且Render Mode都設(shè)為Auto。最亮的4個(gè)光源A-D則為per-pixel光源，接著是四個(gè)per-vertex光源，D-G，最后余下的光源則是SH球諧光源，G-H。

注意上圖中光源分組的重疊部份。例如最后一個(gè)既可以成為per-pixel光源也可以成為per-vertex光源，因此當(dāng)物體或光源移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生Light Popping（因光照導(dǎo)致的畫面不正常）的可能性更小。

關(guān)于Light Popping問(wèn)題的實(shí)例，點(diǎn)擊這里 ，提問(wèn)者最后通過(guò)調(diào)整光照亮度得以解決。

Base Pass

Base Pass只用一個(gè)per-pixel光源和所有的SH/Vertex 光源來(lái)渲染物體。在這個(gè)pass內(nèi)也能通過(guò)shader加入光照貼圖(Lightmaps)，環(huán)境光(ambient)，自發(fā)光(Emissive)等。平行光在這個(gè)Pass內(nèi)產(chǎn)生陰影。

注意：

• 使用LightMaps的物體（烘培過(guò)的物體）不會(huì)受到SH光源的光照。
• 當(dāng)在Shader中使用Passflag tag “OnlyDirectional”時(shí)，forward base pass只會(huì)渲染主平行光，環(huán)境光照探頭(Ambient/Light Probe)和光照貼圖，SH和vertex光源沒(méi)有被包含在此pass的數(shù)據(jù)內(nèi)。

Additional Passes

Additional Passes用于渲染每個(gè)額外的per-pixel光源。在這些pass中的光源默認(rèn)是不會(huì)產(chǎn)生陰影的（也就是說(shuō)，F(xiàn)orward Rendering默認(rèn)只支持一個(gè)光源可以產(chǎn)生陰影）。除非使用multi_compile_fwdadd_fullshadows宏。

性能相關(guān)

Spherical Harmonics lights（球諧光照）非常高效。對(duì)CPU的消耗極其微小，對(duì)于GPU來(lái)說(shuō)不會(huì)有額外的負(fù)擔(dān)（因?yàn)閎ase pass原本就會(huì)一直計(jì)算SH Lighting；和球諧光照的機(jī)制有光，無(wú)論有多少球諧光的存在，消耗都是一樣的）。

擴(kuò)展閱讀，Enlighten的簡(jiǎn)化球諧光照文檔，《球諧照明：細(xì)節(jié)》，《球諧照明：細(xì)節(jié)》講義，球諧照明原理

SH光照的缺點(diǎn)：

• 利用物體的vertices(Vertex單詞的復(fù)數(shù)形式，Vertex的復(fù)數(shù)有三種寫法: vertexes，vertices ，vertexs）進(jìn)行計(jì)算，而不是pixels。因此不支持法線貼圖和Light Cookies。
• SH光照函數(shù)是種非常低頻的照明函數(shù)，不會(huì)有非常銳利的照明過(guò)渡，另外也只會(huì)響應(yīng)Diffuse Lighting（漫反射），對(duì)于Specular Highlight（鏡面高光）而言其頻率太低了。
• SH lighting is not local; point or spot SH lights close to some surface will “l(fā)ook wrong”. 球諧照明不是局部的（？局部坐標(biāo)系？），點(diǎn)光源或聚光燈形式的SH Light在靠近一些表面時(shí)看上去會(huì)不正常。

總結(jié)，SH Light適用于小型動(dòng)態(tài)物體。

Legacy Deferred Lighting Rendering Path

概述

Shader中使用的LightMode Pass Tag: PrepassBase和PrepassFinal

Legacy Deferred (light prepass) 類似于Deferred Shading，但是和其運(yùn)用了不同的技術(shù)，有不同的側(cè)重。不支持Unity5的Physically Based Standard Shader。關(guān)于Legacy Deferred的原理可以查看RTR（Real-Time Rendering）網(wǎng)站的文章《Deferred lighting approaches》

Deferred Lighting從Unity 5.0起被視為傳統(tǒng)特性，因?yàn)槠錈o(wú)法支持諸如Stander Shader，Reflection Probes等特性。新工程可以考慮直接使用 Deferred Shading（不適用于移動(dòng)平臺(tái)）。

注意：當(dāng)使用Orthographic projection時(shí)Deferred Rendering Path 不適用。當(dāng)使用正交投影時(shí)會(huì)降至 Forward Rendering Path。
注意：Legacy Deferred Lighting Rendering Path 和 Deferred Shading Rendering Path 都是Deferred rendering。

Deferred Lighting對(duì)影響物體的光源數(shù)量沒(méi)有限制，所有的光源都是Per-Pixel光照，即所有光源都可以正確的和法線貼圖得到正確的計(jì)算結(jié)果。另外，所有的光源都可以有Light Cookie和Shadow。其性能開(kāi)銷與光源數(shù)量成正比，這意味著可以通過(guò)控制光照面積，減少單個(gè)物體受到光照影響的數(shù)量來(lái)獲得性能方面的提升。Deferred Lighting的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果能夠很方便的預(yù)測(cè)，被個(gè)光源都是逐像素光照，具有一致的光照計(jì)算過(guò)程。

其缺點(diǎn)在于不能真正的支持抗鋸齒以及半透明物體（半透明物體采用 Forward Rendering 渲染路徑）。同時(shí)也不支持Unity3D中的Mesh Renderer組件的Receive Shadows功能，對(duì)Culling Masks的支持也不完善，最多能使用四個(gè)Culling Mask。

要求

顯卡應(yīng)支持Shader Model 3.0（或更新的版本），Depth Render Textures，Two-sided Stencil Buffers。大多數(shù)產(chǎn)于2004年以后的PC顯卡都支持本功能。
在手機(jī)端，所有支持OpenGL ES 3.0r GPU都支持Deferred Lighting. 部份OpenGL ES 2.0的GPU也能支持（因?yàn)橹С諨epth Textures）。
注意：當(dāng)使用Orthographic projection（正交投影）時(shí)Deferred rendering不適用。當(dāng)使用正交投影時(shí)會(huì)降至 Forward Rendering。

性能方面

性能方面的影響取決于物體受光源影響的數(shù)量，而不是場(chǎng)景的復(fù)雜度。小面積的點(diǎn)光源或聚光燈，或光源被部分或完全摭擋，可以在很好的降低性能開(kāi)銷。

有陰影的光源開(kāi)銷更大，在Deferred Rendering中，受到投影光源影響的，且可投影的物體依然是要對(duì)影響其的每個(gè)投影光源都進(jìn)行計(jì)算。具有陰影的光照Shader也肯定比沒(méi)有陰影的開(kāi)銷更大。

使用指南

使用Deferred Lighting， 渲染過(guò)程發(fā)生在三種Pass內(nèi)。

1. Base Pass：物體產(chǎn)生screen-space buffers, 包含depth, normals, specular power等信息。
2. Lighting Pass：前一階段生成的Scree-space buffers用來(lái)計(jì)算光照，并放入另一個(gè)screen-space buffers。
3. Final Pass：物體再次被處理，取得前一階段計(jì)算的光照信息，結(jié)合色彩紋理，并添加ambient/emissive Lighting。

如果物體使用了不適用于Deferred Lighting Rendering Path的Shader，會(huì)使用Forward rendering path

Base Pass

Base pass會(huì)對(duì)物體進(jìn)行一次處理。View sapce normals（視野空間法線）和Specular Power(高光強(qiáng)度)被處理為一張ARGB32格式的[Render Texture](RGB值為normals， A為Specular Power)。如果目標(biāo)平臺(tái)和硬件允許Z buffer以紋理的形式讀取，則不用再進(jìn)行額外的渲染流程。反之，則要在另一個(gè)Pass使用Shader Replacement的Shader中進(jìn)行處理。

Lighting Pass

lighting passs根據(jù)Depth，Normal和Specular power來(lái)計(jì)算光照。光照計(jì)算發(fā)生在Screen Space（屏幕空間）中，因此時(shí)間消耗取決與場(chǎng)景的復(fù)雜程度。Lighting Buffer是一張ARGB32的Render Texture，Diffuse Lighting使用其RGB通道，Specular Lighting使用其A通道。

Final Pass

處理紋理，自發(fā)光等其它內(nèi)容，另外，光照貼圖也在這里完成。

Legacy Vertex Lit Rendering Path

Shader中使用的 使用的LightMode Pass Tag: Vertex,VertexLMRGBM和VertexLM

效果最差，不支持實(shí)時(shí)陰影。屬于Forward Rendering Path的子集。是性能最高，受支持度最多的Rendering Path（但是主機(jī)上不適用）。
所有的光照計(jì)算在Vertex層面完成，因此無(wú)法支持大多數(shù)的per-pixel效果，比如，陰影，法線貼圖，Light Cookies，精細(xì)的高光效果。

LightMode Tags

光照模型 Tags

光照模型 tag定義了pass通道在光照計(jì)算管道的角色，看一下下列渲染管道的細(xì)節(jié)，這些tags很少手動(dòng)調(diào)用，大多數(shù)情況下只需要把光照交互的著色器改為Surface Shaders，然后所有這些細(xì)節(jié)都會(huì)被自動(dòng)處理掉。

LightMode tags：

Always: Always rendered; no lighting is applied.
ForwardBase: Used in Forward rendering, ambient, main directional light, vertex/SH lights and lightmaps are applied.
ForwardAdd: Used in Forward rendering; additive per-pixel lights are applied, one pass per light.
Deferred: Used in Deferred Shading; renders g-buffer.
ShadowCaster: Renders object depth into the shadowmap or a depth texture.
PrepassBase: Used in legacy Deferred Lighting, renders normals and specular exponent.
PrepassFinal: Used in legacy Deferred Lighting, renders final color by combining textures, lighting and emission.
Vertex: Used in legacy Vertex Lit rendering when object is not lightmapped; all vertex lights are applied.
VertexLMRGBM: Used in legacy Vertex Lit rendering when object is lightmapped; on platforms where lightmap is RGBM encoded (PC & console).
VertexLM: Used in legacy Vertex Lit rendering when object is lightmapped; on platforms where lightmap is double-LDR encoded (mobile platforms).

Rendering Paths Comparison