URP源码学习（四）光照

光照可以分两部分来看，一个是对光源的处理，主要逻辑在C#代码ForwardLights类，一个是shader的计算，核心是Lighting.hlsl文件。

先看看光源的一些设置

在管线设置

主光

• 2个选项，关闭，逐像素。
• 只支持平行光，选择亮度最大的一个，在GetMainLightIndex函数获取，没有返回-1。
• 可选是否产生阴影以及阴影贴图分辨率。

附加光

• 3个选项，关闭，逐顶点，逐像素。
• 逐顶点不能产生阴影。
• 每个物体受附加光影响有数量限制，PC上最大8个。
• 选逐像素可以产生阴影并设置阴影贴图分辨率。
• 点光源和平行光没有实时阴影，聚光灯选逐像素有。

UniversalAdditionalLightData，看名字是设置光源的属性，实际影响的参数只有shadowBias和shadowNormalBias，感觉这名字起的有点误导，不需要手动添加，如果在light里对Bias选择Custom，则会自动添加。

ForwardLights源码理解

这个类的主要作用就是处理光源，提交光照数据给GPU使用

首先定义了一个类LightConstantBuffer，将shader变量的id封装了一下，基本上就是坐标，颜色，强度。

public static int _MainLightPosition; 
public static int _MainLightColor;  
public static int _AdditionalLightsCount; 
public static int _AdditionalLightsPosition; 
public static int _AdditionalLightsColor; 
public static int _AdditionalLightsAttenuation; 
public static int _AdditionalLightsSpotDir;  
public static int _AdditionalLightOcclusionProbeChannel; 

这里有一个StructuredBuffer的概念，在7.2版本的URP没有开启，官方的注释原因是有性能问题，vulkan有绑定的问题。以后可以开启了再细看。

核心函数Setup，作用是设置相关shader变量值，这部分看着代码不少，实际就是根据光源类型，设置不同数值。要注意的是现在不支持shadowmask，后续版本应该会有支持。

shader部分

可以说C#只是设置了一些参数，真正的计算都是在shader完成的，URP实现了一个简化版的PBR，基于Minimalist CookTorrance BRDF，算法详细信息在http://www.thetenthplanet.de/archives/255。下面分成几个部分，看看shader代码是怎么实现的。

shader可以分两部分来看，一个是底层运算库（hlsl文件），一个组合这些底层运算，实现不同效果需求。

先看看输入

输入分成几个文件，依次看一下

SurfaceInput.hlsl

• 看名字就是保存表面颜色的数据，首先定义了base、bump、emission贴图和采样器，URP定义材质的方法有点改变，要分别定义TEXTURE2D和SAMPLER，具体里边咋实现的也没查着，反正按格式写就行了。
• SurfaceData结构体，只定义了数值没有贴图。
• Alpha函数，封装了alpha的计算，如果开启ALPHATEST_ON，执行clip，然后返回alpha值。
• 接着是封装base、bump、emission3个采样函数。

UnityInput.hlsl

• 上边一些宏定义都是VR相关的，做手游的就不看了。
• 时间相关的一些参数，在通过管线设置。
• 相机世界坐标，_ProjectionParams，_ScreenParams，_ZBufferParams，unity_OrthoParams，有些在不同宏定义下，数据不同。
• camera相关的矩阵，各种坐标变换矩阵。这部分会在Input.hlsl封装成宏定义。
• 一些全局值

real4 glstate_lightmodel_ambient; 
real4 unity_AmbientSky; 
real4 unity_AmbientEquator; 
real4 unity_AmbientGround; 
real4 unity_IndirectSpecColor; 
float4 unity_FogParams; 
real4  unity_FogColor; 
real4 unity_ShadowColor; 

• 运行时用到的贴图声明

// Unity specific
TEXTURECUBE(unity_SpecCube0);
SAMPLER(samplerunity_SpecCube0);

// Main lightmap
TEXTURE2D(unity_Lightmap);
SAMPLER(samplerunity_Lightmap);
// Dual or directional lightmap (always used with unity_Lightmap, so can share sampler)
TEXTURE2D(unity_LightmapInd);

// We can have shadowMask only if we have lightmap, so no sampler
TEXTURE2D(unity_ShadowMask);

• 其他代码就不贴了，具体用到再回来查。

Input.hlsl

• 上边是一堆宏定义，作用就是定义最大可见光数量，分为SSBO和UBO，由于硬件限制，SSBO短期应该不能应用在是手机上，所以现在可以简单理解为可见光就是32个，反正就是个数量，以后是会越来越多的 。
• InputData结构体，这是像素shader用到的数据，要注意的是这并不是顶点shader返回的那个数据，URP用到的几个地方，都是先进行了一下数据的处理，比如LitForwardPass里的InitializeInputData函数。

全局的颜色
half4 _GlossyEnvironmentColor;
half4 _SubtractiveShadowColor;

float4x4 _InvCameraViewProj;
float4 _ScaledScreenParams;

• 之后定义了主光和附加光源的各种属性，通过ForwardLights设置。

Lighting.hlsl，实现光照计算

如果没定义LIGHTMAP_ON，GI通过球谐函数计算，在顶点处理以减轻shader ALU压力。

PBR的核心函数是UniversalFragmentPBR，下面详细看一下这个函数的流程。

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

• 首先填充BRDFData结构体，包含brdf需要的参数，漫反射、高光、光滑度等值。
  • InitializeBRDFData这个函数根据工作流，设置高光和漫反射值。

Light mainLight = GetMainLight(inputData.shadowCoord); 

• 然后通过GetMainLight获取主光的数据
  • 主要是方向和颜色。
  • distanceAttenuation默认是unity_LightData.z，unity_LightData.z值如果被裁剪是1，否则是0，如果开启lightmap或在subtractive模式下需要乘上unity_ProbesOcclusion.x。
  • shadowAttenuation用于计算阴影，默认是1，MainLightRealtimeShadow函数用来计算实时阴影的，具体逻辑在阴影部分细看。

MixRealtimeAndBakedGI(mainLight, inputData.normalWS, inputData.bakedGI, half4(0, 0, 0, 0));
void MixRealtimeAndBakedGI(inout Light light, half3 normalWS, inout half3 bakedGI, half4 shadowMask)
#if defined(_MIXED_LIGHTING_SUBTRACTIVE) && defined(LIGHTMAP_ON)
    bakedGI = SubtractDirectMainLightFromLightmap(light, normalWS, bakedGI);
#endif

• 这个函数的作用是计算bakedGI的值，在定义了Subtractive同时开启lightmap时生效，原因是这一个点的颜色在烘焙时已经计算了主光源的光照和阴影值，避免和实时光再叠加一次，选择bake和实时光更暗的那个值作为最终值。

half3 color = GlobalIllumination(brdfData, inputData.bakedGI, occlusion, inputData.normalWS, inputData.viewDirectionWS); 

• 根据brdfData、烘焙GI值、遮蔽值、法线、观察方向，计算GI，也就是所有的间接光颜色。计算分为以下几个部分：
  • 先计算菲涅尔值。间接反射= bakedGI * occlusion
  • GlossyEnvironmentReflection函数计算间接高光，如果开启了环境反射，就采样unity_SpecCube0，然后处理HDR，返回最终值。unity_SpecCube0保存了环境的立体贴图（天空盒和后面的反射探针形成的立体贴图，都算在这里），这个贴图有mipmap。
  • ps：unity_SpecCube1，存储的离物体最近的反射探针的数据，这里没用到。
  • EnvironmentBRDF：看名字是计算环境的BRDF，具体算法也没看懂，不知道啥原理，可能是个经验算法吧，反正能算出个颜色值就对了。

color += LightingPhysicallyBased(brdfData, mainLight, inputData.normalWS, inputData.viewDirectionWS); 

• 这个函数是计算主光的brdf值，调用DirectBDRF函数，算法基于Minimalist CookTorrance BRDF。反正BRDF也就是DNF那3个函数，具体细节吧，相信unity就对了，反正我是看不懂~。

for (uint lightIndex = 0u; lightIndex < pixelLightCount; ++lightIndex)
{
    Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, inputData.positionWS);
    color += LightingPhysicallyBased(brdfData, light, inputData.normalWS, inputData.viewDirectionWS);
}

• 接着是计算附加光的颜色值，在一个for循环处理，也就是之前说的单pass渲染，不像内置管线那样有forward add pass了。
• 计算和主光差不多，但是没有间接光的计算，

#ifdef _ADDITIONAL_LIGHTS_VERTEX
    color += inputData.vertexLighting * brdfData.diffuse;
#endif
color += emission;

• 最后一步是加上顶点光照，和自发光颜色。

到这PBR的光照计算就结束了，有很多细节略过了，以后有更深的理解再补上。

最后一步，LitForwardPass.hlsl

这个文件实现了顶点和像素shader，定义了输入输出结构体，PBR的输入参数大致都差不多，就不贴代码了。

LitPassFragment也比较简单，首先定义一些数据，并初始化，调用UniversalFragmentPBR做光照计算，然后加上雾的颜色，就是最终颜色。

光照相关的代码和shader大致看了一遍，核心内容就是光照计算的流程，URP实现的是一个简化版的计算，这部分项目中实际要改的应该不多，设置好各种宏就可以了，光照算法也不是我这个水平能改的了的，会用就行~