【猫猫的Unity Shader之旅】之光照系统初探

　　 两年没写博客了，现在大家普遍都用上Unity5以上的版本了，所以猫猫准备使用最新的Unity版本继续自己的Shader之旅。有人问猫猫这么长时间都干嘛去了，我只能说，当然是把妹去了…

　　Unity的光照系统很复杂，一方面是Unity对渲染封装的比较严实，另一方面是官方给出的资料比较少。Unity似乎不想让我们了解渲染的更多细节，而是希望我们只要会用相对简单的Surface Shader进行“填空”就好了。然而我们必须认识到，如果只会Surface Shader，那么我们只能停留在萌新的阶段，想要“脱白”，就得勇敢滴打破Unity为了我们提供的这种“便利”。

渲染路径

　　说到Unity的光照系统，渲染路径一定是一个绕不开的话题，这个概念也是一个当之无愧的“新人杀手”，第一次看到这个词总会感到一头雾水。要弄明白什么是渲染路径，就要先对光照在渲染过程中的作用方式有个简单的认识。我们都知道，光照是由场景中的Light组件最先定义的，也就是说，光照信息最初诞生的位置是在CPU，而我们的Shader是运行在GPU的，这就涉及到GPU怎么去使用这些光照信息，比如在使用前向渲染路径(Forward Rendering Path)的时候，引擎就会对逐光源调用Shader的不同Pass的方式来实现光照，我们只需要知道在哪个Pass中处理哪种光源就可以了。如果是顶点照明渲染路径(VertexLit Render Path)，我们只需要一个Pass就可以了，所有的光照都在这一个里面处理。如果是延迟渲染路径(Deferred Rendering Path)，就是一种更复杂的方式了。

　　综上所述，渲染路径其实是一种GPU级别的概念，如果熟悉OpenGL这类比较底层的图形接口就会发现并没有定义渲染路径这种东西，所以说渲染路径是一种相对高级的概念。对于Unity来说，渲染路径最终是由引擎底层和我们所写的Shader来共同实现，不幸的是，因为引擎已经先实现了一部分，我们写Shader也必须按照它的规矩来(〒︿〒)

　　本文主要探讨前向渲染路径下的光照。

前向渲染路径

　　前向渲染路径的原理就是将每个光源进行分配，分配到不同的Pass(通过Tags的LightMode定义为ForwardBase还是ForwardAdd)里进行光照计算。首先，Unity会依据光源的重要程度（它自己的一套规则）将光源分成三种：逐像素处理的光源(简称A光源)、逐顶点处理光源(简称B光源)、使用SH(球谐函数)光源(简称C光源)，这里说的逐顶点还是逐像素只是一个建议性质的称呼，和我们最终在Vertex Shader还是在Fragment Shader中实现光照计算并没有关系，所以为了防止混淆我们就直接用简称了。

　　Unity具体分配光源的规则是这样的：

　　1. 场景中最亮的平行光一定是A光源。

　　2. Quality Setting中的Pixel Light Count遵循多不退少不补，实际数量可以超出(有多个光源设置为Important)也可以不足(场景中没那么多非“Not Important”光源)。

　　3. 如果光源被设置成Important或者Not Important,就遵循他们的意愿，即设置为Important的一定是A光源，设置为Not Important一定是B光源或者C光源。

　　4. 设置为Auto的光源会根据它们的光照强度和离物体远近等动态分配，此时会尊重Pixel Light Count的设置，终于给点面子啦(╯’ - ‘)╯ ┻━┻

　　5. B光源最大数量4个，超出的一律按C光源处理。

　　以上是猫猫自己根据官方文档给出的规则的理解，大家可以在这里参考官方文档。

　　搞清楚了光源的类型，下一步就是决定光源在哪里处理。规则如下:

　　1.Tags的LightMode设置成ForwardBase的Pass处理场景中最亮的平行光和所有B、C光源。该Pass只会渲染一次，我们需要在这一次渲染中全部处理这些光源，当然也可以选择不理它们(╯’ - ‘)╯ ┻━┻

　　2.Tags的LightMode设置成ForwardAdd的Pass处理场景中其他A光源，每个Pass处理一个光源，引擎会循环使用Pass处理。

　　写到这里事情就比较明朗了，如果我们要在前向渲染路径下处理所有光源，需要两种Pass，一种是LightMode标记为ForwardBase的Pass，通过一次渲染处理场景中最亮的平行光和B、C类光源，另一种是LightMode设置为ForwardAdd的Pass，通过多次渲染每次处理一个A光源，然后通过Blend对这两种渲染得到的结果进行混合，一般是Blend One One。那么我们在Pass中如何访问这些光源的信息呢，答案是通过内置变量。

　　不同的Pass除了要设置不同的LightMode之外，还需要在CGPROGRAM和ENDCG之间分别加入#pragma multi_compile_fwdbase和#pragma multi_compile_fwdadd，因为只有这样才能才能得到正确的光源信息。在ForwardBase的Pass中，我们需要访问最亮的平行光的颜色，可以使用_LightColor0，方向可以用_WorldSpaceLightPos0，而对于B类光源，可以unity_LightColor、unity_4LightAtten0等变量访问到对应的光源信息，具体可以参考这里。对于C类光源，则需要使用UnityCG.cginc里面定义的ShadeSH9等方法获取。

　　在ForwardAdd的Pass中，我们需要处理所有的A光源。由于这些光源的类型不确定，我们需要通过_WorldSpaceLightPos0.w来区分，如果值为0，表示光源为平行光，此时_WorldSpaceLightPos0.xyz表示光源的方向，如果值为1，表示为类型(点光源、聚光灯)等，此时_WorldSpaceLightPos0.xyz表示光源位置。

结束语

　　可以看到用Vertex&Fragment Shader处理光照非常麻烦，所以如果要写的Shader需要处理光照，最好的方式还是使用Surface Shader，这是Unity好的地方，让我们能够用一种很简单的方式让我们能够处理复杂的东西，但是对于学习来说，过度的包装又让我们感到迷茫，看不清本质。如果希望弄清楚这背后的知识，去学习一下底层的图形接口应该会觉得更纯粹一些。