【光照】Unity[光照探针]的作用与工作原理

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光照探针的作用

光照探针(Light Probes)是Unity中用于解决动态物体间接光照问题的核心技术，主要作用包括：

• ‌为动态物体提供间接光照‌：在静态场景中，动态物体无法直接使用烘焙光照贴图，光照探针通过存储空间中的光照信息，让动态物体也能获得与静态环境一致的间接光照效果。
• ‌提升视觉一致性‌：通过插值计算，使移动中的物体能够平滑过渡不同区域的光照氛围，避免光照突变带来的不协调感。
• ‌优化性能‌：相比全实时全局光照计算，光照探针使用预计算数据，运行时只需简单插值，性能消耗极低。
• ‌支持复杂光照效果‌：能捕捉颜色渗色、柔和阴影等高级光照现象，提升场景真实感。

发展历史

光照探针技术在Unity中的演进可分为三个阶段：

• ‌传统光照探针组Light Probe Group‌：早期版本中需要手动放置探针点，形成三维网格覆盖动态物体活动区域。
• ‌自适应探针体积Adaptive Probe Volumes‌：在URP中引入的自动化解决方案，根据场景几何密度自动生成探针网格，支持大规模开放世界（Unity6 URP开始支持）。
• ‌URP探针体积系统‌：进一步优化存储和加载机制，支持流式传输和动态光照切换(如昼夜循环)。

内部实现原理

光照探针的核心技术实现包括以下方面：

• 数据采集与存储
  • 使用球谐函数(SH)编码存储光照信息，通常采用三阶SH以平衡精度和性能。
  • 每个探针点记录来自各个方向的入射光信息(主要是间接光)。
  • 数据以"砖块"(Brick)结构组织，高密度区域使用4x4x4小网格(间距1-3米)，低密度区域使用大网格(间距9-27米)。
• 运行时插值机制
  • 动态物体的包围盒位置确定其所在的四面体，从四个顶点探针插值获取光照。
  • URP使用每像素8探针采样和三线性插值，消除传统方法的接缝问题。
  • 插值权重基于物体到各探针的距离和相对位置计算。
• 技术限制
  • 不适合大面积平坦或凹面物体，可能产生光照异常。
  • 无法表现高频光照细节(受SH阶数限制)。
  • 动态物体不会贡献间接光到环境中。

自适应探针体积(APV)

自适应探针体积(Adaptive Probe Volumes)是Unity URP渲染管线中用于优化间接光照烘焙的核心技术，它通过自动化生成探针网格，动态适配场景几何密度，实现高效的光照数据采样与存储‌。

核心特性

• ‌自动生成探针网格‌：基于场景几何密度自动生成规则排列的探针点，无需手动放置‌
• ‌自适应密度控制‌：高密度区域(如室内细节)使用小间距探针(1-3米)，低密度区域(如开放地形)使用大间距探针(9-27米)‌
• ‌高质量光照采样‌：每像素从8个最近探针采样数据，通过三线性插值混合结果，消除传统光照探针组的接缝问题‌
• ‌流式加载支持‌：支持运行时动态加载/卸载探针数据，适用于开放世界场景‌

与传统光照探针的对比

特性	APV探针体积	传统Light Probe Group
生成方式	自动基于几何密度生成	手动放置
采样精度	每像素8探针采样，无接缝	按物体插值，可能产生接缝
内存管理	自适应优化，支持流式加载	固定密度，内存占用不可控
适用场景	大开放世界、动态物体	小型场景、静态布局

具体使用方法

基础设置流程

• ‌启用APV系统‌：
  • 在URP配置文件中(LightProbeSystem)选择APV选项‌
  • 或通过代码：LightProbeSystem.current = new AdaptiveProbeVolumeSystem();
• ‌创建探针体积‌：
  • 在场景中创建AdaptiveProbeVolume对象
  • 调整其范围覆盖需要照明的区域‌
  • 设置MinProbeSpacing控制最小探针密度(提高精度)‌
• ‌烘焙光照‌：
  • 打开Window > Rendering > Lighting面板
  • 点击Generate Lighting进行烘焙‌
  • 启用Skycclusion以获得环境光照影响‌

高级配置技巧

• ‌光源设置‌：
  • 将光源设置为混合或烘焙模式
  • 确保动态物体不标记为Static‌
• ‌性能优化‌：
  • 使用Probe Volumes的流式加载功能减少内存占用‌
  • 对移动物体采用"潜在可见集增量更新"策略‌
• ‌动态光照切换‌：
  • 通过Lighting Scenes实现昼夜循环等动态光照切换‌
  • 使用脚本控制探针数据的加载/卸载‌

实际应用示例

示例1：室内场景光照设置

csharp
// 创建自适应探针体积
AdaptiveProbeVolume apv = new GameObject("APV_Indoor").AddComponent<ProbeVolumes>();
apv.minProbeSpacing = 1.5f;// 设置高密度探针间距
apv.bounds = new Bounds(transform.position, new Vector3(20, 10, 20));// 设置体积范围// 烘焙光照
LightProbeSystem.current.BakeProbes();

示例2：开放世界流式加载

csharp
// 设置流式加载参数
AdaptiveProbeVolumeSystem system = LightProbeSystem.current as AdaptiveProbeVolumeSystem;
system.streamingDistance = 100f;// 设置流式加载距离
system.streamingPriority = 0.8f;// 设置加载优先级// 动态加载/卸载探针数据
void OnEnable() {system.LoadProbesInRange(transform.position, 50f);
}void OnDisable() {system.UnloadProbesInRange(transform.position, 50f);
}

常见问题解决方案

• ‌光照接缝问题‌：
  • 确保MinProbeSpacing设置合理，高变化区域增加探针密度‌
  • 检查物体是否完全包含在探针体积范围内‌
• ‌性能优化‌：
  • 使用Probe Volumes的流式加载功能‌
  • 对静态物体使用光照贴图，动态物体使用APV‌
• ‌动态物体光照异常‌：
  • 确保动态物体不标记为Static‌
  • 检查探针体积是否覆盖动态物体活动区域‌

URP中的光照探针实现示例

基本设置流程

• ‌创建光照探针组‌：
  • 在Hierarchy中右键 > Light > Light Probe Group。
  • 或通过代码：GameObject.AddComponent<LightProbeGroup>()。
• ‌布置探针点‌：
  • 手动模式：在Scene视图中移动、添加或删除探针点。
  • 自动模式：使用脚本根据场景几何自动生成探针布局。
• ‌烘焙光照‌：
  • 确保动态物体不标记为Static。
  • 打开Window > Rendering > Lighting面板，点击Generate Lighting。
• ‌验证效果‌：
  • 选择动态物体，Scene视图会显示影响它的探针点(黄色连线)。
  • 移动物体观察光照平滑过渡效果。

高级配置技巧

• ‌探针密度优化‌：

  • 高变化区域(如墙角、门窗附近)增加探针密度。
  • 开放空间减少探针数量以节省内存。

• ‌混合光照模式‌：

  csharp
  // 在Shader中结合直接光和探针间接光
  UnityLight light;
  light.color = _LightColor0.rgb * atten;
  light.dir = lightDirection;// 获取探针光照
  light.indirect = ShadeSH9(float4(worldNormal,1));// 最终光照计算
  half4 c = UNITY_BRDF_PBS(albedo, specular, oneMinusReflectivity, smoothness,worldNormal, viewDir, light, indirectLight);
  

• ‌性能优化‌：

  • 使用Light Probe Proxy Volume处理大型动态物体。
  • 启用Probe Volumes的流式加载功能减少内存占用。

与传统光照探针的对比

特性	URP探针体积	传统Light Probe Group
生成方式	自动基于几何密度生成	手动放置
采样精度	每像素8探针采样，无接缝	按物体插值，可能产生接缝
内存管理	自适应优化，支持流式加载	固定密度，内存占用不可控
适用场景	大开放世界、动态物体	小型场景、静态布局

光照探针技术是Unity URP管线中实现高质量动态光照的关键组件，通过合理配置可以显著提升场景的视觉一致性和运行效率

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