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

簡述

U3D支持不同的Rendering Path(渲染路徑)，開發(fā)者應(yīng)該根據(jù)游戲內(nèi)容和目標平臺，硬件等來選擇使用哪個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)在光照和陰影方面忍饰。查閱Render Pipeline獲取更多的細節(jié)。

可以在Editor-->Project Setting-->Graphics中設(shè)置默認的Rendering Path，也可以針對單獨的Camera進行設(shè)置钠右。

如果目標平臺的顯卡不能處理所選擇的硬件，那么Unity會自動過渡至低保真檔次Rendering Path去忘蟹。比如有的GPU不能處理Deferred Shading飒房，那就會自動采用Forward Rendering。

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

Deferred Shading Rendering Path

概述

由于在移動開發(fā)中并不常用Deferred Shading狠毯，故本節(jié)不細述。

Shader中使用的LightMode Pass Tag: Deferred

Deferred Shading擁有最佳的光照和陰影效果褥芒。當(dāng)場景中存在許多的實時光照時嚼松，使用Deferred Shading也是最佳的方案。當(dāng)然Deferred Shading對硬件的要求稍高锰扶。

Deferred Shading是一種屏幕空間著色技術(shù)献酗，之所以叫做Deferred（延遲的，延期的）坷牛，是因為Shading的時機不是發(fā)生在第一個Pass的Vertex和Pixel/Fragment函數(shù)內(nèi)凌摄，而是存在延遲，直到第二Pass的時候才執(zhí)行漓帅。

Deferred Shading對影響物體的光源數(shù)量沒有限制锨亏，所有的光源都是Per-Pixel（逐像素）光照痴怨，即所有光源都可以正確的和法線貼圖得到正確的計算結(jié)果。另外器予，所有的光源都可以有Light Cookie和陰影浪藻。其性能開銷與光源數(shù)量成正比，這意味著可以通過控制光照面積乾翔，減少單個物體受到光照影響的數(shù)量來獲得性能方面的提升爱葵。Deferred Shading的另一個優(yōu)點是結(jié)果能夠很方便的預(yù)測，被個光源都是逐像素光照反浓，具有一致的光照計算過程萌丈。

缺點在于，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）雷则。同時也不支持Unity3D中的Mesh Renderer組件的Receive Shadows功能辆雾，對Culling Masks的支持也不完善，最多能使用四個Culling Mask月劈。

Q： 什么是Light Cookie度迂？
A： Light Cookie又被稱作Cucoloris。是一種應(yīng)用在電影攝制時的小技巧猜揪，如下兩張圖惭墓，具體的解釋可以查看Wiki，Unity3D中的應(yīng)用可以查看Unity3D Cookies手冊或Unity3d Spot Light Cookie而姐，Unity3D中的實現(xiàn)視頻過程可以點擊這里：

要求

顯卡應(yīng)支持Multiple Render Targets(MRT)腊凶，Shader Model 3.0（及更高），Depth Render Textures拴念。大多數(shù)產(chǎn)于2006年以后的PC顯卡都支持本功能吭狡。
因為對MRT功能支持的缺失，本功能在移動端不受支持丈莺。（有的GPU支持划煮，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Deferred rendering不適用缔俄。當(dāng)使用正交投影時會降至 Forward Rendering弛秋。

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，而不是場景的復(fù)雜度俐载。小面積的點光源或聚光燈蟹略，或光源被部分或完全摭擋，可以在很好的降低性能開銷遏佣。

有陰影的光源開銷更大挖炬，在Deferred rendering中，受到投影光源影響的状婶，且可投影的物體依然是要對影響其的每個投影光源都進行計算意敛。具有陰影的光照Shader也肯定比沒有陰影的開銷更大馅巷。

Forward Rendering Rendering Path

概述

Shader中使用的LightMode Pass Tag: ForwardBase和ForwardAdd
當(dāng)Forward不可以用時會以Legacy Vertex Lit Rendering Path的效果進行渲染

Forward是傳統(tǒng)渲染路徑。支持所有的Unity圖形特性草姻。在默認情況下钓猬，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撩独。

取決于影響物體的光源數(shù)量敞曹，F(xiàn)orward 在單個或多個Pass內(nèi)渲染物體。需要注意的是综膀，光源根據(jù)設(shè)置或強度的不同澳迫，本身也會具有不同的特性。

使用指南

Forward下剧劝，一些（視Quality Setting里面的設(shè)置而定）最亮的光源渲染物體時以Per-Pixel的方式進行橄登。緊接著可有四個光源為Per-Vetex光源。其余的光源都以球諧函數(shù)（SH：Spherical Harmonics）進行計算担平，可以高效但是粗略的得到計算結(jié)果。無論光源是不是Per-Pixel的都依賴以下規(guī)則：

• 光源的Render Mode設(shè)為Not Important的锭部，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的暂论，則為Per-Pixel光源
• 如果場景中的per-pixel光源數(shù)量少于Quality Setting中的Pixel Light Count設(shè)置的數(shù)量，則會按光照強度從強至弱的順序拌禾，將更多的光源設(shè)置為per-pixel取胎。

渲染每個物體時會依以下規(guī)則：

• Base Pass只會用到一個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中渲染湃窍，并且每個Pass對應(yīng)一個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度和顏色闻蛀，并且Render Mode都設(shè)為Auto。最亮的4個光源A-D則為per-pixel光源您市，接著是四個per-vertex光源觉痛，D-G，最后余下的光源則是SH球諧光源茵休，G-H薪棒。

注意上圖中光源分組的重疊部份。例如最后一個既可以成為per-pixel光源也可以成為per-vertex光源榕莺，因此當(dāng)物體或光源移動時俐芯，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問題的實例钉鸯，點擊這里 吧史，提問者最后通過調(diào)整光照亮度得以解決。

Base Pass

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

注意：

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

Additional Passes

Additional Passes用于渲染每個額外的per-pixel光源亿笤。在這些pass中的光源默認是不會產(chǎn)生陰影的（也就是說翎迁，F(xiàn)orward Rendering默認只支持一個光源可以產(chǎn)生陰影）。除非使用multi_compile_fwdadd_fullshadows宏净薛。

性能相關(guān)

Spherical Harmonics lights（球諧光照）非常高效汪榔。對CPU的消耗極其微小，對于GPU來說不會有額外的負擔(dān)（因為base pass原本就會一直計算SH Lighting肃拜；和球諧光照的機制有光痴腌，無論有多少球諧光的存在，消耗都是一樣的）燃领。

擴展閱讀士聪，Enlighten的簡化球諧光照文檔，《球諧照明：細節(jié)》猛蔽，《球諧照明：細節(jié)》講義剥悟，球諧照明原理

SH光照的缺點：

• 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曼库，vertices 区岗，vertexs）進行計算，而不是pixels毁枯。因此不支持法線貼圖和Light Cookies慈缔。
• SH光照函數(shù)是種非常低頻的照明函數(shù)，不會有非常銳利的照明過渡种玛，另外也只會響應(yīng)Diffuse Lighting（漫反射）胀糜，對于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（蒂誉？局部坐標系教藻？），點光源或聚光燈形式的SH Light在靠近一些表面時看上去會不正常右锨。

總結(jié)括堤，SH Light適用于小型動態(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，但是和其運用了不同的技術(shù)悄窃，有不同的側(cè)重讥电。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)特性轧抗，因為其無法支持諸如Stander Shader恩敌，Reflection Probes等特性。新工程可以考慮直接使用 Deferred Shading（不適用于移動平臺）横媚。

注意：當(dāng)使用Orthographic projection時Deferred Rendering Path 不適用纠炮。當(dāng)使用正交投影時會降至 Forward Rendering Path。
注意：Legacy Deferred Lighting Rendering Path 和 Deferred Shading Rendering Path 都是Deferred rendering灯蝴。

Deferred Lighting對影響物體的光源數(shù)量沒有限制恢口，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算結(jié)果穷躁。另外耕肩，所有的光源都可以有Light Cookie和Shadow。其性能開銷與光源數(shù)量成正比问潭，這意味著可以通過控制光照面積猿诸，減少單個物體受到光照影響的數(shù)量來獲得性能方面的提升。Deferred Lighting的另一個優(yōu)點是結(jié)果能夠很方便的預(yù)測狡忙，被個光源都是逐像素光照梳虽，具有一致的光照計算過程。

其缺點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）去枷。同時也不支持Unity3D中的Mesh Renderer組件的Receive Shadows功能怖辆，對Culling Masks的支持也不完善是复，最多能使用四個Culling Mask删顶。

要求

顯卡應(yīng)支持Shader Model 3.0（或更新的版本），Depth Render Textures淑廊，Two-sided Stencil Buffers逗余。大多數(shù)產(chǎn)于2004年以后的PC顯卡都支持本功能。
在手機端季惩，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（因為支持Depth Textures）录粱。
注意：當(dāng)使用Orthographic projection（正交投影）時Deferred rendering不適用。當(dāng)使用正交投影時會降至 Forward Rendering画拾。

性能方面

性能方面的影響取決于物體受光源影響的數(shù)量啥繁，而不是場景的復(fù)雜度。小面積的點光源或聚光燈青抛，或光源被部分或完全摭擋旗闽，可以在很好的降低性能開銷。

有陰影的光源開銷更大，在Deferred Rendering中适室，受到投影光源影響的嫡意，且可投影的物體依然是要對影響其的每個投影光源都進行計算。具有陰影的光照Shader也肯定比沒有陰影的開銷更大捣辆。

使用指南

使用Deferred Lighting蔬螟， 渲染過程發(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等信息汽畴。
2. Lighting Pass：前一階段生成的Scree-space buffers用來計算光照旧巾，并放入另一個screen-space buffers。
3. Final Pass：物體再次被處理整袁，取得前一階段計算的光照信息菠齿，結(jié)合色彩紋理，并添加ambient/emissive Lighting坐昙。

如果物體使用了不適用于Deferred Lighting Rendering Path的Shader绳匀，會使用Forward rendering path

Base Pass

Base pass會對物體進行一次處理。View sapce normals（視野空間法線）和Specular Power(高光強度)被處理為一張ARGB32格式的[Render Texture](RGB值為normals炸客， A為Specular Power)疾棵。如果目標平臺和硬件允許Z buffer以紋理的形式讀取，則不用再進行額外的渲染流程痹仙。反之是尔，則要在另一個Pass使用Shader Replacement的Shader中進行處理。

Lighting Pass

lighting passs根據(jù)Depth开仰，Normal和Specular power來計算光照拟枚。光照計算發(fā)生在Screen Space（屏幕空間）中，因此時間消耗取決與場景的復(fù)雜程度众弓。Lighting Buffer是一張ARGB32的Render Texture恩溅，Diffuse Lighting使用其RGB通道，Specular Lighting使用其A通道谓娃。

Final Pass

處理紋理脚乡，自發(fā)光等其它內(nèi)容，另外滨达，光照貼圖也在這里完成奶稠。

Legacy Vertex Lit Rendering Path

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

效果最差，不支持實時陰影捡遍。屬于Forward Rendering Path的子集锌订。是性能最高，受支持度最多的Rendering Path（但是主機上不適用）画株。
所有的光照計算在Vertex層面完成辆飘，因此無法支持大多數(shù)的per-pixel效果涩搓，比如，陰影劈猪，法線貼圖昧甘，Light Cookies，精細的高光效果战得。

LightMode Tags

光照模型 Tags

光照模型 tag定義了pass通道在光照計算管道的角色充边，看一下下列渲染管道的細節(jié)，這些tags很少手動調(diào)用常侦，大多數(shù)情況下只需要把光照交互的著色器改為Surface Shaders浇冰，然后所有這些細節(jié)都會被自動處理掉。

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