UPL9-14——光照探针

光照探针

上一篇提到的光照烘焙，主要是为静态物体服务的，静态物体的光照信息直接烘焙进了光照贴图中
而动态物体由于自身会不停移动，受光影响的结果是不能直接烘焙进贴图的，所以烘焙光照无法作用于动态物体上
如果需要让动态物体收到直接光照，可以将光源改为 Mixed 模式，不过动态物体依然不能受到间接光的影响

而光照探针（Light Probe）可以用于解决 烘焙光源产生的间接光不能作用于动态物体 的问题，它让动态物体在场景中通过插值获得周围环境的间接光信息

间接光照（Indirect Lighting）是由光线在场景中经过一次或多次反射后，再照射到物体表面的光照

举例：

灯直接照在桌面上为 直接光照
桌面反射的光线照亮了墙壁、天花板为 间接光照
墙壁又反射出微弱的光照亮房间阴暗处为 多次间接光照

注意

光照探针只会烘焙间接光，这就意味着，如果一个动态物体希望受到某个光源（比如点光源）的直接光影响，那么我们需要将该光源设置为混合（Mixed）光源！
这样对于动态物体来说，该光源对它的直接光照，通过实时计算表现，而间接光照通过光照探针计算！
这样光照探针就优化了关于间接光照的表现和计算，而直接光源还是在 Shader 当中计算出颜色表现！

对于动态物体：

想要受光源直接光 → 光源设为 Mixed 或 Realtime

想要受间接光 → 启用 Light Probe

了解这一点非常重要，这样我们就可以根据我们的实际需求进行取舍！
光照探针只是间接光照的优化方案，用于让动态物体获得逼真的环境光效果，而无需实时全局光照计算。
不用再让 CPU / GPU 实时计算复杂的光线反射了！

例如如下场景：

添加探针并在场景中烘焙光照后，动态移动对象将根据场景中最近的探针接收间接光：

光照探针（Light Probe）的原理

烘焙阶段

在场景中放置多个光照探针点，Unity 会对每个光照探针点计算来自周围的光照方向和强度分布
这些光照数据不是用贴图存储，而是存储为球谐函数（Spherical Harmonics, SH）系数

球谐函数（Spherical Harmonics）:

是一族由同一个通用公式定义出来的函数，是一个模板公式，通过不同的参数生成许多具体的函数
在图形学中的作用是把球面方向上的光照分布用有限个系数（基函数）近似表示出来
利用球谐函数，我们能够根据表面法线方向，计算出该方向上的环境光照颜色
运行阶段

对于每个动态物体，Unity在空间中找到它附近的光照探针
根据物体所在位置，对这些光照探针的数据进行三维插值
将插值计算得到的光照应用到物体上，模拟出真实的光照环境

总结：在场景中预先采样并用球谐函数记录各点的环境光分布，运行时通过插值这些数据让动态物体获得逼真的间接光照

优点：

几乎零运行时成本（插值 + Shader 乘法）
光照平滑过渡
能与烘焙光照无缝结合

缺点：

无法产生阴影（只是光照颜色变化）
光照数据是静态的（烘焙时固定）
探针过少时容易出现亮度跳变

光照探针（Light Probe）的使用

在场景中创建 Light Probe Group（光照探针组）

场景上会出现很多黄色小球，一个小球就是一个探针点

在 Hierarchy 窗口内右键选择 Light —— Light Probe Group 即可创建
在 Scene 窗口中编辑探针点的位置

注意：好的间接光表现，需要好的 Light Probe 布局，一般大场景中，光照探针点会有非常多！

Unity 2022 版本以前需要在 Inspector 窗口内开启光照探针编辑：
- Show Wireframe：显示线框
- Remove Ringing：消除振铃（默认开启即可）
- Selected Probe Position：选定的探针位置，可以编辑位置
- Add Probe：添加探针
- Select All：全选探针
- Delete Selected：删除选择的探针
- Duplicate Selected：复制选择的探针
Unity 6 版本后需要在 Scene 窗口内选择编辑光照探针模式：

两个版本的编辑选项都是一致的，这里不再阐述
编辑好后，在 Lighting 窗口中烘焙

具体烘焙步骤和参数可见：UPL9-13——光照烘焙
动态物体需要将其 Renderer 组件上的光照探针设置为 Blend Probes（混合探针）
验证测试效果

假设存在一个场景，平行光是 Mixed 光源，红色点光源是 Baked 光源，绿色点光源是 Realtime 光源，球体是动态物体，其他物体全都勾选 Contribute GI

使用光照探针前：

使用光照探针后：

可以看到，球体收到的红色点光源的间接光影响，球体的颜色显然变红了（不过球体并没有受到红光的直接光关照，这是因为红色点光源不是 Mixed 光源）