【光照】Unity[光照烘焙]的原理与具体流程
URP光照烘焙介绍
Unity通用渲染管线(URP)的光照烘焙系统是用于预计算全局光照(GI)的核心技术，它将静态光源的光照效果预先计算并存储在光照贴图(Lightmap)中，运行时直接采样使用以提高性能。URP支持三种光源模式：
Realtime实时模式：
完全动态计算，不生成光照贴图，适用于高频移动光源或需要实时互动的场景。
Baked烘焙模式：
完全离线烘焙到光照贴图中，运行时无实时计算，适合静态环境光。
Mixed混合模式：
结合烘焙与实时计算的优势，包括三种子模式：
Baked Indirect：烘焙间接光照，直接光和阴影实时计算
Subtractive：烘焙直接光和阴影，动态物体通过Light Probe接收光照
Shadowmask：烘焙间接光+阴影贴图，实时计算直接光
历史发展
URP的光照烘焙技术源自Unity传统的Enlighten和Progressive光照系统，经过多次迭代：
早期版本主要依赖Enlighten光照系统
2018年后引入Progressive光照烘焙器(CPU/GPU)
URP 7.x版本开始支持StructuredBuffer优化光源处理
最新版本支持Shadowmask混合模式，平衡效果与性能
内部实现原理与数学公式
光照烘焙核心算法
光照烘焙主要基于辐射度算法(Radiosity)和光子映射(Photon Mapping)，核心数学公式包括：
辐射传输方程：
$L_o(x,ω_o) = L_e(x,ω_o) + ∫_Ω f_r(x,ω_i,ω_o)L_i(x,ω_i)(n·ω_i)dω_i$
其中：
$L_o$：出射辐射度
$L_e$：自发光辐射度
$f_r$：双向反射分布函数(BRDF)
$L_i$：入射辐射度
$(n·ω_i)$：余弦项
光照贴图采样：
float3 SampleLightMap(float2 lightMapUV) {
#if defined(LIGHTMAP_ON)
return SampleSingleLightmap(TEXTURE2D_ARGS(unity_Lightmap, samplerunity_Lightmap),
lightMapUV, float4(1.0, 1.0, 0.0, 0.0),
#if defined(UNITY_LIGHTMAP_FULL_HDR)
false,
#elsetrue,
#endif
float4(LIGHTMAP_HDR_MULTIPLIER, LIGHTMAP_HDR_EXPONENT, 0.0, 0.0));
#elsereturn 0.0;
#endif
}
动态物体光照处理
动态物体通过Light Probe接收烘焙光照，采样使用球谐函数(SH)：
float3 SampleLightProbe(Surface surfaceWS) {
#if defined(LIGHTMAP_ON)
return 0.0;
#elseif(unity_ProbeVolumeParams.x) {
return SampleProbeVolumeSH4(TEXTURE3D_ARGS(unity_ProbeVolumeSH, samplerunity_ProbeVolumeSH),
surfaceWS.position, surfaceWS.normal, unity_ProbeVolumeWorldToObject,
unity_ProbeVolumeParams.y, unity_ProbeVolumeParams.z,
unity_ProbeVolumeMin.xyz, unity_ProbeVolumeSizeInv.xyz);
} else {
float4 coefficients[7];
coefficients[0] = unity_SHAr;
coefficients[1] = unity_SHAg;
coefficients[2] = unity_SHAb;
coefficients[3] = unity_SHBr;
coefficients[4] = unity_SHBg;
coefficients[5] = unity_SHBb;
coefficients[6] = unity_SHC;
return max(0.0, SampleSH9(coefficients, surfaceWS.normal));
}
#endif
}
具体流程与手动计算示例
光照烘焙流程
场景准备：
标记静态物体(勾选Static)
生成光照贴图UV(Generate Lightmap UVs)
设置光源模式(Baked/Mixed)
烘焙参数设置：
间接光反弹次数(Max Bounces，通常设为5)
光照贴图分辨率
启用环境光遮蔽(AO)
执行烘焙：
CPU或GPU渐进式烘焙
降噪处理
生成光照贴图和光照探针
手动计算示例
假设一个简单场景，计算某点P的烘焙光照：
直接光照计算：
$L_direct = I * max(0, n·l) / (d² + 1)$
其中：
I：光源强度
n：表面法线
l：光源方向
d：距离光源的距离
间接光照计算：
$L_{indirect} = Σ (L_{bounce} * albedo / π)$
其中：
$L_{bounce}$：来自其他表面的反射光
albedo：表面反射率
最终光照：
$L_{final} = L_{direct} + L_{indirect} + L_{emission}$
常见问题与优化
黑斑问题：因模型没有光照贴图坐标或UV重叠导致，需勾选Generate Lightmap UVs并调整Pack Margin。
硬边问题：因UV在光照图中比例太小，需调大Scale In Lightmap参数。
性能优化：
使用Shadowmask模式平衡效果与性能
控制附加光源数量(PC平台最多8个)
合理设置阴影距离(Shadow Distance)
URP的光照烘焙系统通过结合预计算和实时计算，在保持良好视觉效果的同时显著提升了渲染性能，特别适合移动端和中低端硬件平台