Unity SRP 管线【第五讲：URP烘培光照】

本节，我们将跟随数据流向讲解UEP管线中的烘培光照。

文章目录

一、URP烘培光照
- 1. 搭建场景
- 2. 烘培光照参数设置
- - MixedLight光照设置：
  - - 直观感受
  - Lightmapping Settings参数设置：
- 3. 我们如何记录次表面光源颜色
- - 首先我们提取出相关URP代码，便于测试
  - 之后进入Shader
  - - UnityMetaVertexPosition
- 4. 使用光照贴图
二、光照探针
- 1. 添加光照探针并获取烘培结果
- 2. 获取烘培的球谐系数
- 3. 计算球谐光照
- 4. 使用球谐光照
三、光照探针代理体LPPV
参考

一、URP烘培光照

1. 搭建场景

在这里插入图片描述
将所有需要烘培的物体设置为ContributeGI（下面两种方法都可）

将光源设置为Mixed

2. 烘培光照参数设置

添加新的Lighting Settings
在这里插入图片描述
点击 Generate Lighting 烘培
一般GPU烘培比CPU烘培块，至于具体该怎么选择，以及有什么区别，可参照
unity渐进式烘焙Progressive CPU和GPU
或Unity官方文档：The Progressive GPU Lightmapper

烘培后的光照会被保存在Scene同等目录下的同名文件下
在这里插入图片描述
使用烘培光照

首先需要确保烘培物体开启contribute GI
其次、烘培物体必须使用内置材质、或标准Shader、或自定义Shader中拥有Meta Pass。
之后需要定义光源为烘培类型（Mixed、Baked），可以在Window > Rendering > Light Explorer中做整体调整。

对当前场景做预烘培光照，需要打开Window > Rendering > Lighting

MixedLight光照设置：

在这里插入图片描述

Baked Indirect【阴影全部由shadowMap生成】：烘培间接光就像是 实时光照+额外的间接光，但是在阴影距离之外没有阴影显示（因为实时光只生成阴影范围之内的阴影）。
$\quad$ 烘焙间接模式的一个很好的例子是，如果你正在制作一款室内射击游戏或冒险游戏，设置在与走廊相连的房间里。观看距离是有限的，所以所有可见的东西通常都应该在阴影距离之内。这个模式对于建立一个有雾的室外场景也很有用，因为你可以用雾来隐藏远处缺失的阴影。
【使用：中档pc和高端移动设备】
Shadowmask：烘培阴影遮罩贴图，可以保存静态物体之间的阴影关系。
Shadowmask是一种纹理，它与相应的光贴图共享相同的UV布局和分辨率。它为每个texel最多存储4个光源的遮挡信息，因为纹理在当前gpu上最多限制为4个通道。
- Distance Shadowmask【实时阴影距离以外仍有静态阴影】：他与Baked Indirect的区别是，Distance Shadowmask可以在实时光照阴影距离之外，对静态物体使用烘培阴影，对动态物体使用光照探针阴影。Distance Shadowmask模式的一个很好的例子是，如果你正在构建一个开放的世界场景，其中阴影一直延伸到地平线，复杂的静态网格在移动角色上投射实时阴影。
  【使用：高端PC、新一代设备】
- Shadowmask【动态物体可以接收到静态物体（Light Probe）阴影；静态物体使用阴影遮蔽贴图获取静态物体的阴影投影】：Shadowmask可能有用的一个很好的例子是，如果你正在构建一个几乎完全静态的场景，使用镜面材料，柔和的烘烤阴影和动态阴影接受物体，但不要太靠近相机。另一个很好的例子是一个开放世界场景，它的阴影一直延伸到地平线，但没有像昼夜循环这样的动态照明。
  【使用：中低端PC、移动设备】

Distance Shadowmask 和 Shadowmask类型的切换，在Project Settings>Quality中导航到Shadows，其中Shadowmask Mode选项可以切换Distance Shadowmask 和 Shadowmask。
在这里插入图片描述
该类型会额外生成一个LightMap贴图 Lightmap-x_comp_shadowmask

Subtractive：不仅仅烘培间接光，还烘培直接光，静态物体无法接受（除了主光源外）动态物体的阴影，动态物体只能通过光照探针得到静态物体的阴影。当你正在构建带有外部关卡和很少动态GameObjects的格子阴影(即卡通风格)游戏时，Subtractive模式便会发挥作用。
【使用：低端移动设备】

直观感受

除两个绿色小球外，其余物体都是静态物体。场景中无光照探针。场景中只有主光源，设置为Mixed。

Baked Indirect：实时阴影距离以外无阴影。其他阴影实时生成。
在这里插入图片描述
Shadowmask：
实时阴影距离以外有静态物体阴影，无动态物体阴影。
动态物体上无静态物体阴影。
静态物体阴影为预烘培阴影，移动后阴影错误。

Distance Shadowmask：
实时阴影距离以外有静态物体阴影，无动态物体阴影。
动态物体可接受静态物体阴影
静态物体移动后，阴影随之移动
在这里插入图片描述

Subtractive：
实时物体阴影由静态物体阴影和动态物体阴影混合得到，阴影混合效果并不好。
静态物体移动阴影错误。

以上效果可以得出
阴影质量： Distance Shadowmask > Baked Indirect > Shadowmask > Subtractive

Lightmapping Settings参数设置：

其中，Lightmapping Settings参数包括：

Lightmap Resolution【采样数】：每单位（unit，一般为1m）像素分辨率。值越高，烘培时间越长。
Lightmap Padding（填充？？？）：在烘培光照中设置形状之间的纹理的分隔【默认为2】
LightmapSize【光照贴图大小】：光照贴图大小，整合了多个OBJ的纹理光照贴图
Compress Lightmaps【压缩】：是否压缩光照贴图。较低质量的压缩减少了内存和存储需求，但代价是更多的可视化工件。更高质量的压缩需要更多的内存和存储空间，但可以提供更好的视觉效果。
Ambient Occlusion【增加了环境光遮蔽效果、边缘缝隙会更暗一点】：指定是否包含环境遮挡或不在烘烤光图结果中。当光线反射到它们上时，启用此功能可以模拟物体的裂缝和缝隙中发生的柔和阴影。
Directional Mode【是否烘培镜面反射】：控制烘烤和实时光贴图是否存储来自照明环境的定向照明信息。该贴图存储主要的入射方向以及一个因子：记录有多少光是从主入射方向射入的，其他光照则认为均匀的来自法线半球，这些数据可以用来实时计算材质的镜面反射，但看起来仍像纯粹的漫反射。
Non-Directional

Directional

我没看出来区别在哪，但是Directional会多一个光照贴图：Lightmap-0_comp_dir
Indirect Intensity【光线反射强度】：Unity提供的参考值是在0-5。小于1，反射后光照强度衰减、大于1，反射光强总和大于1。基于物理的情况下，该值应该为一个小于1的数，但特定情况下，使用较大的值能得到更好的效果。
Albedo Boost【值越大，反射光颜色约趋向于白色】：通过增强场景中材料的反照率来控制表面之间反弹的光量。增加这个值，在间接光计算中，反照率值趋向白色。默认值是物理精确值。
最后一个选项 Lightmap Parameters 为每个Obj的默认光照贴图数据，默认值可以通过Create>LightmapParameters创建，再在Lighting窗口的Lightmap Parameters选项中设置自定义的文件。

烘培主要包含如下参数

这些参数大多都不需要调整，使用默认值已经可以解决大部分项目需求。

3. 我们如何记录次表面光源颜色

首先我们设置烘培模式为 Backed Indirect 或 shadowmask，我们关闭主光源（直接光照），发现地表的绿色映射到了物体上。
在这里插入图片描述
间接光照的颜色是通过物体材质中Shader的Meta Pass来设置的。
我们转到Lit.shader的Meta Pass

首先我们提取出相关URP代码，便于测试

在这里插入图片描述

之后进入Shader

#pragma vertex UniversalVertexMeta
#pragma fragment UniversalFragmentMetaLit

#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/LitInput.hlsl"
#include "MyLitMetaPass.hlsl"

首先，我们来看顶点着色器的输入，Meta Pass的输入为顶点、法线和3个UV
。。。

struct Attributes
{
    float4 positionOS   : POSITION;
    float3 normalOS     : NORMAL;
    float2 uv0          : TEXCOORD0;//BaseMap的UV
    float2 uv1          : TEXCOORD1;//Lightmap的UV
    float2 uv2          : TEXCOORD2;//DynamicLightmap的UV
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID
};

struct Varyings
{
    float4 positionCS   : SV_POSITION;
    float2 uv           : TEXCOORD0;
#ifdef EDITOR_VISUALIZATION
    float2 VizUV        : TEXCOORD1;
    float4 LightCoord   : TEXCOORD2;
#endif
};

之后，进入顶点着色器

Varyings UniversalVertexMeta(Attributes input)
{
    Varyings output = (Varyings)0;
    output.positionCS = UnityMetaVertexPosition(input.positionOS.xyz, input.uv1, input.uv2);
    output.uv = TRANSFORM_TEX(input.uv0, _BaseMap);
#ifdef EDITOR_VISUALIZATION
    UnityEditorVizData(input.positionOS.xyz, input.uv0, input.uv1, input.uv2, output.VizUV, output.LightCoord);
#endif
    return output;
}

UnityMetaVertexPosition

UnityMetaVertexPosition 函数定义在 Core/ShaderLibrary/MetaPass.hlsl，我们进入文件查看。
其中unity_LightmapST和unity_DynamicLightmapST定义在UnityInput.hlsl中。
引用自：MyLit.shader -> LitInput.hlsl -> Core.hlsl -> input.hlsl -> UnityInput.hlsl

float4 unity_LightmapST;
float4 unity_DynamicLightmapST;

该变量为Unity引擎自动帮我们赋值，
unity_LightmapST保存了Baked LightMap的UV_ST。
在这里插入图片描述

unity_DynamicLightmapST保存了Realtime Global Illumination的LightMap的UV_ST
DynamicLightmap也是用于静态物体，区别是在运行时可以改变光照的intensity和direction。需要在LIGHT SETTING面板里勾选Realtime Global Illumination。
在这里插入图片描述

UnityMetaVertexPosition 输入顶点坐标，以及unity_Lightmap，unity_DynamicLightmap的UV坐标，得到光照贴图中数据的裁剪坐标。

unity_MetaVertexControl的定义在MetaPass.hlsl中

CBUFFER_START(UnityMetaPass)
    // x = use uv1 as raster position
    // y = use uv2 as raster position
    bool4 unity_MetaVertexControl;

    // x = return albedo
    // y = return normal
    bool4 unity_MetaFragmentControl;

    // Control which VisualizationMode we will
    // display in the editor
    int unity_VisualizationMode;
CBUFFER_END

unity_MetaVertexControl变量用来区别是LightMap还是dynamicLightmap。因此启用实时全局光照会替代烘培全局光照作为最终结果。
unity_MetaFragmentControl变量用来区别烘焙表面颜色还是自发光颜色。

EDITOR_VISUALIZATION宏为编辑模式可视化，用于渲染材质验证器。该模式具体使用参照
基于物理的渲染材质验证器
可以简单的理解为，当我们在编辑器模式下更改了Shading Mode，则直接输出物体的裁剪坐标。
否则输出LightMap中得到的数据。
在这里插入图片描述
我的Unity版本（2021.3.31f1）中，与Unity文档2022.1版本shadingMode显示不同，至于哪些Shading Mode会启用该宏定义，在此处不再做测试。


float4 UnityMetaVertexPosition(float3 vertex, float2 uv1, float2 uv2)
{
    return UnityMetaVertexPosition(vertex, uv1, uv2, unity_LightmapST, unity_DynamicLightmapST);
}

float4 UnityMetaVertexPosition(float3 vertex, float2 uv1, float2 uv2, float4 lightmapST, float4 dynlightmapST)
{
#ifndef EDITOR_VISUALIZATION
    if (unity_MetaVertexControl.x)
    {
        vertex.xy = uv1 * lightmapST.xy + lightmapST.zw;
        // OpenGL right now needs to actually use incoming vertex position,
        // so use it in a very dummy way
        vertex.z = vertex.z > 0 ? REAL_MIN : 0.0f;
    }
    if (unity_MetaVertexControl.y)
    {
        vertex.xy = uv2 * dynlightmapST.xy + dynlightmapST.zw;
        // OpenGL right now needs to actually use incoming vertex position,
        // so use it in a very dummy way
        vertex.z = vertex.z > 0 ? REAL_MIN : 0.0f;
    }
    return TransformWorldToHClip(vertex);
#else
    return TransformObjectToHClip(vertex);
#endif
}

这里，顶点不再是模型的顶点坐标，而是该模型顶点在LightMap中的UV坐标，最终结果要将该UV坐标从世界坐标转为裁剪坐标。【不知道这么做有什么道理！！！！】

我猜测：这里的 ViewMatrix 和 ProjectionMatrix 都是单位矩阵，并不会对UV坐标有改变，因为将UV坐标从世界空间转换到裁剪空间没有道理。但这仅仅是猜测！！！！！！！！！

继续回到顶点着色器

Varyings UniversalVertexMeta(Attributes input)
{
    Varyings output = (Varyings)0;
    output.positionCS = UnityMetaVertexPosition(input.positionOS.xyz, input.uv1, input.uv2);
    output.uv = TRANSFORM_TEX(input.uv0, _BaseMap);
#ifdef EDITOR_VISUALIZATION
    UnityEditorVizData(input.positionOS.xyz, input.uv0, input.uv1, input.uv2, output.VizUV, output.LightCoord);
#endif
    return output;
}

output.positionCS 记录了LightMapUV坐标在的裁剪空间下的坐标。
output.uv记录了_BaseMap的UV坐标。
这里忽略EDITOR_VISUALIZATION被定义的代码。

#define TRANSFORM_TEX(tex,name) (tex.xy * name##_ST.xy + name##_ST.zw)

我们得到片元着色器输入数据如下

struct Varyings
{
    float4 positionCS   : SV_POSITION;
    float2 uv           : TEXCOORD0;
#ifdef EDITOR_VISUALIZATION
    float2 VizUV        : TEXCOORD1;
    float4 LightCoord   : TEXCOORD2;
#endif

进入片元着色器：

half4 UniversalFragmentMetaLit(Varyings input) : SV_Target
{
    SurfaceData surfaceData;
    InitializeStandardLitSurfaceData(input.uv, surfaceData);

    BRDFData brdfData;
    InitializeBRDFData(surfaceData.albedo, surfaceData.metallic, surfaceData.specular, surfaceData.smoothness, surfaceData.alpha, brdfData);

    MetaInput metaInput;
    metaInput.Albedo = brdfData.diffuse + brdfData.specular * brdfData.roughness * 0.5;
    metaInput.Emission = surfaceData.emission;
    return UniversalFragmentMeta(input, metaInput);
}

计算得到 metaInput，MetaInput定义在MetaInput.hlsl

#define MetaInput UnityMetaInput
#define MetaFragment UnityMetaFragment

UnityMetaInput结构体定义在MetaPass.hlsl中，保存了颜色和自发光颜色。

struct UnityMetaInput
{
    half3 Albedo;
    half3 Emission;
#ifdef EDITOR_VISUALIZATION
    float2 VizUV;
    float4 LightCoord;
#endif
};

然后，将顶点着色器输入Varyings input，和UnityMetaInput metaInput传给UniversalFragmentMeta函数。函数在UniversalMetaPass.hlsl内

half4 UniversalFragmentMeta(Varyings fragIn, MetaInput metaInput)
{
#ifdef EDITOR_VISUALIZATION
    metaInput.VizUV = fragIn.VizUV;
    metaInput.LightCoord = fragIn.LightCoord;
#endif

    return UnityMetaFragment(metaInput);
}

UniversalFragmentMeta()函数又调用了UnityMetaFragment，UnityMetaFragment定义在MetaPass.hlsl中

//如下代码删除了EDITOR_VISUALIZATION定义部分，我们只关注正常烘培。

float unity_OneOverOutputBoost;
float unity_MaxOutputValue;
float unity_UseLinearSpace;
half4 UnityMetaFragment (UnityMetaInput IN)
{
    half4 res = 0;
    //`unity_MetaFragmentControl`变量用来区别烘焙表面颜色还是自发光颜色。
    // x:烘焙表面颜色
    if (unity_MetaFragmentControl.x)
    {
        res = half4(IN.Albedo,1);

        // Apply Albedo Boost from LightmapSettings.
        res.rgb = clamp( pow( abs(res.rgb) , saturate(unity_OneOverOutputBoost) ), 0, unity_MaxOutputValue);
    }
    // y:烘培自发光
    if (unity_MetaFragmentControl.y)
    {
        half3 emission;
        if (unity_UseLinearSpace)
            emission = IN.Emission;
        else
            emission = Gamma20ToLinear(IN.Emission);

        res = half4(emission, 1.0);
    }
    return res;
}

unity_OneOverOutputBoost 和 unity_MaxOutputValue 用来定义烘焙时的光强。
该值定义在Lighting窗口>Scene中
在这里插入图片描述
按照 Unity 的解释说明，我猜测：

Albedo Boost的值被1除，传入unity_OneOverOutputBoost，标识指数强度值；
Indirect Intensity的值，传入unity_MaxOutputValue，规定了反射可以达到的最大亮度。

如果打开了烘培自发光，在Shader编辑器中打开Emission,设置为Baked，Shader会写入_EmissionColor值，并设置Flag。

m.globalIlluminationFlags &=~MaterialGlobalIlluminationFlags.EmissiveIsBlack;

Unity会根据这个Flag，自动设置unity_MetaFragmentControl.y的值。
在这里插入图片描述
根据下图可以看到： 左边自发光的小黄球（静态物体） 的自发光颜色照射在了周围静态物体上，但 右边自发光的小黄球 是动态物体，因此，即使自发光并设置为Baked属性，也并没有烘培光照，这符合我们的想法。

在这里插入图片描述
无论是烘培光还是自发光，都只是将当前片元的出射光/自发光作为输出。他将指定该片元在烘培系统中以什么颜色作为光子基本颜色来映射。

总结：次表面光源颜色为表面接收到光源后的漫反射颜色，如果有自发光。则用自发光颜色替代。Unity将使用这些次表面光源或自发光光源，做间接光照烘培（我猜测应该是光子映射，而这些光子就是映射在网络上的光照贴图的一个个纹素）

4. 使用光照贴图

要想获取到光照贴图的数据，必须告诉Unity：perObjectData = PerObjectData.Lightmaps

var drawingSettings = new DrawingSettings(unlitShaderTagId, sortingSettings) 
{
	...
	perObjectData = PerObjectData.Lightmaps
};

在URP中，默认开启大多数配置，可在UniversalRenderPipelien.cs > RenderSingleCamera() > InitializeRenderingData()>GetPerObjectLightFlags()中找到此设置。

static void InitializeRenderingData(UniversalRenderPipelineAsset settings, ref CameraData cameraData, ref CullingResults cullResults,
     bool anyPostProcessingEnabled, out RenderingData renderingData)
{
	renderingData.perObjectData = GetPerObjectLightFlags(renderingData.lightData.additionalLightsCount);
}

static PerObjectData GetPerObjectLightFlags(int additionalLightsCount)
{
	var configuration = 
			PerObjectData.ReflectionProbes | 
			PerObjectData.Lightmaps | 
			PerObjectData.LightProbe | 
			PerObjectData.LightData | 
			PerObjectData.OcclusionProbe | 
			PerObjectData.ShadowMask;
}

一旦开启该配置PerObjectData.Lightmaps，Unity会将对有LightMap的物体使用含有LIGHTMAP_ON宏定义的Shader变体。
我们需要在Shader中定义宏：

#pragma multi_compile _ LIGHTMAP_ON

在URP管线中，只有UniversalForward、UniversalGBuffer两个Pass有关于LIGHTMAP_ON的宏定义，当定义了LIGHTMAP_ON，说明该物体网络要使用烘培光进行渲染。
我们只关心前向渲染的结果。

同样，我们将URP中的LitShader代码复制出来，便于修改
在这里插入图片描述
我们在增加光照贴图后，Unity会将UV数据和顶点数据打包一起发送。

struct Attributes
{
	float2 staticLightmapUV   : TEXCOORD1;
	float2 dynamicLightmapUV  : TEXCOORD2;
};

我们通过TEXCOORD1和TEXCOORD2可以获取到烘培光照贴图的uv和实时全局光照的UV。
在顶点着色器中，通过宏，将数据传入片元着色器。

// 处理烘培光照
	OUTPUT_LIGHTMAP_UV(input.staticLightmapUV, unity_LightmapST, output.staticLightmapUV);
// 处理实时全局光照
#ifdef DYNAMICLIGHTMAP_ON
    output.dynamicLightmapUV = input.dynamicLightmapUV.xy * unity_DynamicLightmapST.xy + unity_DynamicLightmapST.zw;
#endif

该宏定义在Lighting.hlsl中，如果启用了光照贴图，则该函数将经过了ST变换的UV坐标传递到片元着色器；否则，将LightMap宏置为空，并使用球谐函数作为全局光照数据。

#if defined(LIGHTMAP_ON)
    #define DECLARE_LIGHTMAP_OR_SH(lmName, shName, index) float2 lmName : TEXCOORD##index
    #define OUTPUT_LIGHTMAP_UV(lightmapUV, lightmapScaleOffset, OUT) OUT.xy = lightmapUV.xy * lightmapScaleOffset.xy + lightmapScaleOffset.zw;
    #define OUTPUT_SH(normalWS, OUT)
#else
    #define DECLARE_LIGHTMAP_OR_SH(lmName, shName, index) half3 shName : TEXCOORD##index
    #define OUTPUT_LIGHTMAP_UV(lightmapUV, lightmapScaleOffset, OUT)
    #define OUTPUT_SH(normalWS, OUT) OUT.xyz = SampleSHVertex(normalWS)
#endif

传入片元着色器后，初始化InputData，其中根据光照贴图设置half3 bakedGI参数。

void InitializeInputData(Varyings input, half3 normalTS, out InputData inputData)
{
#if defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
    inputData.bakedGI = SAMPLE_GI(input.staticLightmapUV, input.dynamicLightmapUV, input.vertexSH, inputData.normalWS);
#else
    inputData.bakedGI = SAMPLE_GI(input.staticLightmapUV, input.vertexSH, inputData.normalWS);
#endif
}

其中，SAMPLE_GI宏定义在GlobalIllumination.hlsl中

// We either sample GI from baked lightmap or from probes.
// If lightmap: sampleData.xy = lightmapUV
// If probe: sampleData.xyz = L2 SH terms
#if defined(LIGHTMAP_ON) && defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
#define SAMPLE_GI(staticLmName, dynamicLmName, shName, normalWSName) SampleLightmap(staticLmName, dynamicLmName, normalWSName)
#elif defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
#define SAMPLE_GI(staticLmName, dynamicLmName, shName, normalWSName) SampleLightmap(0, dynamicLmName, normalWSName)
#elif defined(LIGHTMAP_ON)
#define SAMPLE_GI(staticLmName, shName, normalWSName) SampleLightmap(staticLmName, 0, normalWSName)
#else
#define SAMPLE_GI(staticLmName, shName, normalWSName) SampleSHPixel(shName, normalWSName)
#endif

如果定义了光照贴图或实时光照贴图，则使用函数SampleLightmap；
若未使用光照贴图，则使用SampleSHPixel。

核心代码:

// Sample baked and/or realtime lightmap. Non-Direction and Directional if available.
half3 SampleLightmap(float2 staticLightmapUV, float2 dynamicLightmapUV, half3 normalWS)
{
#ifdef UNITY_LIGHTMAP_FULL_HDR
    bool encodedLightmap = false;
#else
    bool encodedLightmap = true;
#endif

    half4 decodeInstructions = half4(LIGHTMAP_HDR_MULTIPLIER, LIGHTMAP_HDR_EXPONENT, 0.0h, 0.0h);

    // The shader library sample lightmap functions transform the lightmap uv coords to apply bias and scale.
    // However, universal pipeline already transformed those coords in vertex. We pass half4(1, 1, 0, 0) and
    // the compiler will optimize the transform away.
    half4 transformCoords = half4(1, 1, 0, 0);

    float3 diffuseLighting = 0;

#if defined(LIGHTMAP_ON) && defined(DIRLIGHTMAP_COMBINED)
    diffuseLighting = SampleDirectionalLightmap(TEXTURE2D_LIGHTMAP_ARGS(LIGHTMAP_NAME, LIGHTMAP_SAMPLER_NAME),
        TEXTURE2D_LIGHTMAP_ARGS(LIGHTMAP_INDIRECTION_NAME, LIGHTMAP_SAMPLER_NAME),
        LIGHTMAP_SAMPLE_EXTRA_ARGS, transformCoords, normalWS, encodedLightmap, decodeInstructions);
#elif defined(LIGHTMAP_ON)
    diffuseLighting = SampleSingleLightmap(TEXTURE2D_LIGHTMAP_ARGS(LIGHTMAP_NAME, LIGHTMAP_SAMPLER_NAME), LIGHTMAP_SAMPLE_EXTRA_ARGS, transformCoords, encodedLightmap, decodeInstructions);
#endif

#if defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON) && defined(DIRLIGHTMAP_COMBINED)
    diffuseLighting += SampleDirectionalLightmap(TEXTURE2D_ARGS(unity_DynamicLightmap, samplerunity_DynamicLightmap),
        TEXTURE2D_ARGS(unity_DynamicDirectionality, samplerunity_DynamicLightmap),
        dynamicLightmapUV, transformCoords, normalWS, false, decodeInstructions);
#elif defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
    diffuseLighting += SampleSingleLightmap(TEXTURE2D_ARGS(unity_DynamicLightmap, samplerunity_DynamicLightmap),
        dynamicLightmapUV, transformCoords, false, decodeInstructions);
#endif

    return diffuseLighting;
}

是否解码贴图数据
采样光照贴图，并根据光照贴图类型是否为方向贴图，决定是否使用方向采样（个人猜测，此处使用2次球谐实现）
采样实时光照贴图，同样根据贴图类型进行不同的采样，之后将结果附加在光照贴图采样之上。

当下，我们只考虑开启最基础的LIGHTMAP_ON宏。
SampleSingleLightmap函数在EntityLighting.hlsl中，函数除了基础的采样函数外，只增加了解码功能，并无特别之处。

real3 SampleSingleLightmap(TEXTURE2D_LIGHTMAP_PARAM(lightmapTex, lightmapSampler), LIGHTMAP_EXTRA_ARGS, float4 transform, bool encodedLightmap, real4 decodeInstructions)
{
    // transform is scale and bias
    uv = uv * transform.xy + transform.zw;
    real3 illuminance = real3(0.0, 0.0, 0.0);
    // Remark: baked lightmap is RGBM for now, dynamic lightmap is RGB9E5
    if (encodedLightmap)
    {
        real4 encodedIlluminance = SAMPLE_TEXTURE2D_LIGHTMAP(lightmapTex, lightmapSampler, LIGHTMAP_EXTRA_ARGS_USE).rgba;
        illuminance = DecodeLightmap(encodedIlluminance, decodeInstructions);
    }
    else
    {
        illuminance = SAMPLE_TEXTURE2D_LIGHTMAP(lightmapTex, lightmapSampler, LIGHTMAP_EXTRA_ARGS_USE).rgb;
    }
    return illuminance;
}

最终，采样结果传输路线为 illuminance -> diffuseLighting -> inputData.bakedGI.

之后，在Fragment中的如下函数中进行光照计算，UV数据保存在inputData中

half4 color = UniversalFragmentPBR(inputData, surfaceData);

在Lighting.hlsl中找到该函数

half4 UniversalFragmentPBR(InputData inputData, SurfaceData surfaceData)
{
	...
	MixRealtimeAndBakedGI(mainLight, inputData.normalWS, inputData.bakedGI);
	...
}

进入MixRealtimeAndBakedGI，该函数混合实时光和烘培光，主要是通过实时阴影计算，减去光照贴图的暗部亮度。

void MixRealtimeAndBakedGI(inout Light light, half3 normalWS, inout half3 bakedGI)
{
#if defined(LIGHTMAP_ON) && defined(_MIXED_LIGHTING_SUBTRACTIVE)
    bakedGI = SubtractDirectMainLightFromLightmap(light, normalWS, bakedGI);
#endif
}

进入SubtractDirectMainLightFromLightmap，为烘培光照添加主光照阴影

half3 SubtractDirectMainLightFromLightmap(Light mainLight, half3 normalWS, half3 bakedGI)
{
    // Let's try to make realtime shadows work on a surface, which already contains
    // baked lighting and shadowing from the main sun light.
    // Summary:
    // 1) Calculate possible value in the shadow by subtracting estimated light contribution from the places occluded by realtime shadow:
    //      a) preserves other baked lights and light bounces
    //      b) eliminates shadows on the geometry facing away from the light
    // 2) Clamp against user defined ShadowColor.
    // 3) Pick original lightmap value, if it is the darkest one.


    // 1) Gives good estimate of illumination as if light would've been shadowed during the bake.
    // We only subtract the main direction light. This is accounted in the contribution term below.
    half shadowStrength = GetMainLightShadowStrength();
    half contributionTerm = saturate(dot(mainLight.direction, normalWS));
    half3 lambert = mainLight.color * contributionTerm;
    half3 estimatedLightContributionMaskedByInverseOfShadow = lambert * (1.0 - mainLight.shadowAttenuation);
    half3 subtractedLightmap = bakedGI - estimatedLightContributionMaskedByInverseOfShadow;

    // 2) Allows user to define overall ambient of the scene and control situation when realtime shadow becomes too dark.
    half3 realtimeShadow = max(subtractedLightmap, _SubtractiveShadowColor.xyz);
    realtimeShadow = lerp(bakedGI, realtimeShadow, shadowStrength);

    // 3) Pick darkest color
    return min(bakedGI, realtimeShadow);
}

二、光照探针

1. 添加光照探针并获取烘培结果

使用光照探针，增加光照探针组件即可
在这里插入图片描述
添加组件后，可编辑探针位置，之后点击烘培，即可对光照探针赋值。
赋值的结果为球谐函数系数。

2. 获取烘培的球谐系数

我们通过设置PerObjectData.LightProbe 告诉Unity获取系数。

系数保存在UnityInput.hlsl中，为3阶球谐（单通道9个系数，故rgb三通道一共27个系数），故这里使用 4 * 7 = 28个存储空间。

CBUFFER_START(UnityPerDraw)
	// SH block feature
	real4 unity_SHAr;
	real4 unity_SHAg;
	real4 unity_SHAb;
	real4 unity_SHBr;
	real4 unity_SHBg;
	real4 unity_SHBb;
	real4 unity_SHC;
CBUFFER_END

3. 计算球谐光照

计算球谐函数分为 顶点着色计算 和 片元着色计算 ，函数在GlobalIllumination.hlsl中。

// SH Vertex Evaluation. Depending on target SH sampling might be
// done completely per vertex or mixed with L2 term per vertex and L0, L1
// per pixel. See SampleSHPixel
half3 SampleSHVertex(half3 normalWS)
{
#if defined(EVALUATE_SH_VERTEX)
    return SampleSH(normalWS);
#elif defined(EVALUATE_SH_MIXED)
    // no max since this is only L2 contribution
    return SHEvalLinearL2(normalWS, unity_SHBr, unity_SHBg, unity_SHBb, unity_SHC);
#endif

    // Fully per-pixel. Nothing to compute.
    return half3(0.0, 0.0, 0.0);
}

// SH Pixel Evaluation. Depending on target SH sampling might be done
// mixed or fully in pixel. See SampleSHVertex
half3 SampleSHPixel(half3 L2Term, half3 normalWS)
{
#if defined(EVALUATE_SH_VERTEX)
    return L2Term;
#elif defined(EVALUATE_SH_MIXED)
    half3 res = L2Term + SHEvalLinearL0L1(normalWS, unity_SHAr, unity_SHAg, unity_SHAb);
#ifdef UNITY_COLORSPACE_GAMMA
    res = LinearToSRGB(res);
#endif
    return max(half3(0, 0, 0), res);
#endif

    // Default: Evaluate SH fully per-pixel
    return SampleSH(normalWS);
}

球谐计算调用

half3 SampleSH(half3 normalWS)
{
    // LPPV is not supported in Ligthweight Pipeline
    real4 SHCoefficients[7];
    SHCoefficients[0] = unity_SHAr;
    SHCoefficients[1] = unity_SHAg;
    SHCoefficients[2] = unity_SHAb;
    SHCoefficients[3] = unity_SHBr;
    SHCoefficients[4] = unity_SHBg;
    SHCoefficients[5] = unity_SHBb;
    SHCoefficients[6] = unity_SHC;

    return max(half3(0, 0, 0), SampleSH9(SHCoefficients, normalWS));
}

最终通过SampleSH9函数计算，该函数定义在core/EntityLighting.hlsl中
SHEvalLinearL0L1函数计算0、1阶，SHEvalLinearL2函数计算2阶，最终将线性空间转化为SRGB空间。

float3 SampleSH9(float4 SHCoefficients[7], float3 N)
{
    float4 shAr = SHCoefficients[0];
    float4 shAg = SHCoefficients[1];
    float4 shAb = SHCoefficients[2];
    float4 shBr = SHCoefficients[3];
    float4 shBg = SHCoefficients[4];
    float4 shBb = SHCoefficients[5];
    float4 shCr = SHCoefficients[6];

    // Linear + constant polynomial terms
    float3 res = SHEvalLinearL0L1(N, shAr, shAg, shAb);

    // Quadratic polynomials
    res += SHEvalLinearL2(N, shBr, shBg, shBb, shCr);

#ifdef UNITY_COLORSPACE_GAMMA
    res = LinearToSRGB(res);
#endif

    return res;
}

球谐调用：在Globalillumination.hlsl中有宏如下

// We either sample GI from baked lightmap or from probes.
// If lightmap: sampleData.xy = lightmapUV
// If probe: sampleData.xyz = L2 SH terms
#if defined(LIGHTMAP_ON) && defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
#define SAMPLE_GI(staticLmName, dynamicLmName, shName, normalWSName) SampleLightmap(staticLmName, dynamicLmName, normalWSName)
#elif defined(DYNAMICLIGHTMAP_ON)
#define SAMPLE_GI(staticLmName, dynamicLmName, shName, normalWSName) SampleLightmap(0, dynamicLmName, normalWSName)
#elif defined(LIGHTMAP_ON)
#define SAMPLE_GI(staticLmName, shName, normalWSName) SampleLightmap(staticLmName, 0, normalWSName)
#else
#define SAMPLE_GI(staticLmName, shName, normalWSName) SampleSHPixel(shName, normalWSName)
#endif