0x00 前言
在Unity的5.6版本之前的5.x中，主要使用了Geomerics公司的Enlighten【1】來提供實時全局照明以及烘焙全局照明，在5.6之后Unity引入了新的Lightmapper——Progressive來提供烘焙全局照明并且提供了更多的混合光照模式，但是Enlighten仍然是Unity中全局照明的主要提供者。
所以，本文就來聊聊Unity5.6以及Unity2017中和Enlighten、混合光照相關的話題吧。
0x01 直接光和間接光
大家都知道在Unity中，我們可以在場景中布置方向光、點光、聚光等類型的光源。但如果只有這些光，則場景內只會受到直接光的影響，而所謂的直接光簡單理解就是從光源發(fā)出的直接影響物體的光。如果只考慮直接光的影響，則會缺乏很多光影細節(jié)，導致視覺效果很“平”。而間接光則描述了光子在物體表面之間的反彈，能夠用來增加細節(jié)以及真實感。
例如上圖中，位于天花板燈直射光線之外的區(qū)域缺乏光照效果。表現(xiàn)為四壁上沒有明暗細節(jié)，相反此時直接光范圍之外都是均勻的黑色，而整個空間同樣也顯得十分平。
而增加了間接光之后進行渲染，可以看到光被物體表面反彈，彩色光從一個表面轉移到另一個表面。表現(xiàn)為紅色墻壁和綠色墻壁（在右側和紅墻相對，沒在畫面內）的顏色反映到了場景中的其他表面上，四壁也不再是均勻的黑色，而有了層次感。
0x02 全局照明和渲染方程
正如前文所說，在Unity中使用直接光是無法模擬光子在物體表面反彈的效果的，因此Unity使用了Enlighten所提供的全局照明（Global illumination）來提供間接光效果。
所謂的全局照明（縮寫為GI）是3D計算機圖形中使用的一組算法的通用名稱，旨在為3D場景添加更逼真的照明。這樣的算法不僅考慮直接來自光源的光（直接光），而且還考慮隨后來自相同源的光線被場景中的其他表面反射的情況，即間接光。
而全局照明可以用一個稱為渲染方程【2】的復雜方程來描述：
渲染方程定義了光線是如何離開表面上某個點的。但是各位也可以看到，這個積分方程太復雜以至于無法快速的計算結果。因此在具體的實現(xiàn)上，往往采用了一些近似的方法。
Unity中所使用的Enlighten采用的近似方法是輻射度算法，即假設存在一組有限的靜態(tài)元素和僅有漫射光傳輸來簡化計算。上面的渲染方程就可以簡化為下面這樣：
這樣，我們就可以將積分計算變?yōu)橛嬎闱笃渌氐妮椛涠戎汀?br>
其中Bi指的是在i點最終的光，Le是i點本身的光，而兩個點之前有多少比例的光會被反彈，則有“form factor”來定義，即公式中的Fij，Lj是J點的光。而pi（輸入法問題，先寫成p）則是一個和i的材質屬性相關的參數(shù)。
這樣，這個方程就比較好理解了，同時計算相比之前的渲染方程也簡單了很多。
而有了簡化的方程之后，Enlighten在計算全局光照時，會將場景分組到便于并行處理的system中。接下來，每個system被切割成離散的cluster。
在計算光照時，Enlighten將場景視為一組cluster。而場景內的cluster則會以一種層級關聯(lián)的結構來組織，并且會對其映射的靜態(tài)幾何體的albedo進行采樣，之后在Light Transport階段計算cluster之間的關系以使得光在cluster之間進行傳遞。
這樣看上去全局照明方案已經(jīng)完美的解決了間接光的問題，但是預計算實時GI的代價仍然很高，針對移動平臺這樣相對比較低端的設備，就需要有更加優(yōu)化的解決方案。所以將靜態(tài)對象的光照信息烘焙到lightmap上，同時保持對動態(tài)對象使用實時光就變成了一個不錯的方案。而這就是我們下文中要說的混合光照。
0x03 混合光照
使用混合光照和直接使用烘焙的lightmap有什么區(qū)別呢？簡單來說，選擇“混合”烘焙模式，會將標記為靜態(tài)的GameObject受到的來自混合光源的光照信息保存為Lightmap。 然而，與標記為“烘焙”的燈光不同，混合光源也會為場景中的非靜態(tài)（動態(tài)）GameObject提供實時的直接光照。
在Unity5.x的版本中，光源就已經(jīng)有了混合模式的選擇。但是直到Unity5.6版本，混合模式又變成了4種子模式。而到了Unity2017版本，則變成了3種子模式——shadowmask的兩種模式的設置被放到了Quality Setting內的Shadow下。如下圖所示，分別來自Unity5.5、Unity5.6以及Unity2017.3三個版本的Lighting窗口截圖。
可以看到Unity5.6之后的版本，混合光照的模式增加了Baked Indirect、Distance Shadowmask、Shadowmask、Subtractive這些子模式（2017版本后Distance Shadowmask的設置放到了Quality Setting中）。
首先我們可以先來看看Subtractive模式，因為Subtractive模式也是5.6之前Unity所使用的混合光照模式。
例如在Unity5.5中，我們如果將光源設置為mixed來開啟混合光照，和在5.6之后選擇Subtractive模式開啟混合光照是一樣的。
那么現(xiàn)在就可以安心的使用混合光照了嗎？
我們可以來看看一個在這種模式下常見的問題：
即使用點光開啟mixed模式時，左下角的動態(tài)對象cube并沒有產(chǎn)生由點光產(chǎn)生的實時陰影。
這個聽上去并不符合預期，因為mixed光照模式下對動態(tài)對象顯然要提供實時的光照效果，也就是預期應該是像下圖這樣產(chǎn)生點光造成的陰影。
那么這是為什么呢？這其實是因為在5.6之前的混合光照，以及5.6之后使用subtractive模式的混合光照只能在"只有"一個方向光(Directional light)的時候才能正常工作。
subtractive模式的另一個問題就是烘焙的結果中沒有高光，這是因為這種模式不僅僅烘焙了間接光，而且它還會烘焙直接光，因此也就無法提供高光效果了。所以可以看到在上面的截圖中，并沒有高光的效果。
正是由于這種混合光照模式的不足，所以Unity5.6之后又引入了更多的混合光照模式，以滿足大家的需求。
但是，作為開銷最小的一種混合光照模式，subtractive模式仍然有被保留的必要。在一些對性能要求高過對效果的要求時，subtractive模式仍然不失為一個不錯的選擇。
0x04 混合光照新模式-Shadowmask
Unity的新的混合光照機制的一個重要功能便是對Shadowmask【3】的支持了。混合光照開啟shadowmask模式的情況下，Unity會額外生成一套shadowmask貼圖，它每個紋素的4個通道可以分別用來保存4盞不同的光源。
如圖，這張shadowmask保存了2盞光源的信息，一個主方向光和一個點光。
Shadowmask的主要功能本質上十分容易理解，它解決了之前subtractive模式下無法完成的事情。Shadowmask不僅僅可以處理方向光，而且還可以正確的處理點光和聚光在混合光照條件下的表現(xiàn)。
可以看到左下角的動態(tài)對象cube產(chǎn)生了由mixed模式下的點光產(chǎn)生的實時陰影。
同時，由于沒有對直接光進行烘焙，因此能夠在運行時提供正確的高光效果。
而有些朋友如果打開Mixed Lighting的子mode選擇菜單的話，在5.6版本中還會看到另一個和shadowmask類似的選項——Distance Shadowmask。
那么Distance Shadowmask和Shadowmask又有什么區(qū)別呢？
這就和陰影距離（Shadow Distance）以及混合光照下陰影是如何產(chǎn)生的有關了。
我們在Edit->Project Settings->Quality設置中可以找到Shadow Distance的設置，在實時光模式下，只有在Shadow Distance范圍內的物體才會有陰影的影響。
而在混合光照-Shadowmask模式下，靜態(tài)物體和靜態(tài)物體之間的陰影是通過shadowmask貼圖來產(chǎn)生的。而對于靜態(tài)物體接收的動態(tài)物體產(chǎn)生的陰影，則只有在shadow distance范圍內動態(tài)物體才會產(chǎn)生實時的shadow map陰影。而動態(tài)物體之間的陰影，同樣需要在Shadow Distance范圍內來產(chǎn)生。至于動態(tài)物體如果要接收靜態(tài)物體的陰影，則需要借助light probe的幫助。
如上圖所示，在靜態(tài)的墻和地面之間，由shadowmask提供了陰影。
至于那三個動態(tài)物體cube，在沒有l(wèi)ight probe的情況下，左下角的cube無法接受到靜態(tài)墻體的陰影。而右邊的兩個cube之間則有實時的shadow map陰影，并且它們也在靜態(tài)墻壁上投下了實時的shadow map陰影。
而如果使用Distance Shadowmask模式的話，各位猜猜哪一種陰影產(chǎn)生的方式會發(fā)生變化呢？
答案其實很簡單，首先肯定和Shadow Distance相關，其次肯定是和實時的shadow map和烘焙好的shadowmask之間的切換相關。嗯，答案呼之欲出——在distance shadowmask模式下，處于shadow distance范圍內的靜態(tài)物體也會實時的產(chǎn)生shadow map陰影，這一點和動態(tài)物體一樣，因此無論是靜態(tài)物體之間還是靜態(tài)物體和動態(tài)物體之間都會產(chǎn)生實時的shadow map陰影。而一旦超出了shadow distance的范圍，則靜態(tài)物體的陰影會從shadowmask中獲取。
如上圖所示，可以看到靜態(tài)的墻和地面之間的陰影邊緣銳利了，不像之前從Shadowmask獲取的陰影，由于分辨率的原因可能會更加模糊，此時已經(jīng)是實時的Shadow Map陰影了，因此邊緣更加清晰銳利。而且左下角的cube已經(jīng)可以接受到靜態(tài)墻體的實時陰影了。
不過正如我剛才提到的，Distance Shadowmask和Shadow Distance以及兩種陰影產(chǎn)生的方式有關，那么就有可能會出現(xiàn)一種瑕疵～即在Shadow Distance的內外，會有兩種不同的陰影，而Shadowmask產(chǎn)生的陰影由于分辨率的原因往往更加模糊，例如下面這樣：
可以看到墻壁產(chǎn)生了兩種不同的陰影。因此這個問題各位在開發(fā)過程中可能也要關注一下。
另外，Distance Shadowmask和Shadowmask相比，性能上的開銷顯然要更大一些，這也不難想象，畢竟還有很多靜態(tài)物體也會產(chǎn)生實時陰影嘛。那么我們可以簡單的對比一下兩者在Draw Call上的開銷：
可以看到，右側的Distance Shadowmask的drawcall開銷要遠遠高于shadowmask。因此，在移動設備上采用shadowmask而不是開銷更高的Distance Shadowmask對于追求性能的情況更加適用。當然，Unity2017之后，Distance Shadowmask和Shadowmask的設置已經(jīng)移到了Quality Setting中了，這意味著我們可以在運行時動態(tài)的切換這兩種模式了。
void OnTriggerEnter(Collider other)
{
if(QualitySettings.shadowmaskMode == ShadowmaskMode.Shadowmask)
{
QualitySettings.shadowmaskMode = ShadowmaskMode.DistanceShadowmask;
}else
{
QualitySettings.shadowmaskMode = ShadowmaskMode.Shadowmask;
}
}
當然，無論是Distance Shadowmask還是Shadowmask，它們都可以在Shadow Distance之外提供來自Shadowmask的陰影，雖然較之實時陰影要模糊一些。因此，對于需要遠方也要產(chǎn)生陰影效果的項目，Shadowmask模式是一個很好的選擇。
0x05 混合光照新模式-Baked Indirect
下面還剩下最后一個混合光照模式——Baked Indirect【4】。事實上這個混合模式的名字就已經(jīng)十分直白了——它只烘焙間接光，其他的全部是實時的。Shadowmask貼圖？不存在的。
因此我們有了實時光、實時陰影等等。所以，在Shadow Distance的范圍之內和實時光下效果一樣，陰影是實時的shadow map，并且在shadow distance之外不會有陰影產(chǎn)生——哪怕是分辨率比較低的模糊陰影也沒有。
可以看到在Shadow Distance范圍內的墻的陰影十分清晰，但是在范圍之外則已經(jīng)沒有陰影了。同時，這種混合模式的開銷也很大，因為它只烘焙了間接光，其他的全部是實時的。
0x06 總結
ok，讓我們對這幾種混合模式做一個小的總結吧～可以簡單的歸納為下面這個表格【5】。
Ref
【1】https://www.siliconstudio.co.jp/middleware/enlighten/en/
【2】https://en.wikipedia.org/wiki/Rendering_equation
【3】https://docs.unity3d.com/Manual/LightMode-Mixed-BakedIndirect.html
【4】https://docs.unity3d.com/Manual/LightMode-Mixed-Shadowmask.html
【5】https://docs.google.com/spreadsheets/d/18R663xpccuyRns1kOvGAiqj0qU9QFMbbXyrOCQMsU5w/edit#gid=1748986211
