基於 Unity 引擎的遊戲開發進階之 場景渲染 & 光照進階

Unity 三維場景渲染

真實世界中陽光照射到樹木表面，經過樹木表面反射的光線，進入相機鏡頭。經過鏡頭的光線，最後照射到相機的感光元件上，感光元件記錄這些光線信息，保存為膠捲，或者量化為圖像文件。

遊戲場景是採用計算機技術描述的一個虛擬世界，這個虛擬世界與真實世界類似，場景中包含光、 物體以及相機、遊戲中的物體與場景光源發出的光線，發生反射或者折射現象，這些反射或者折射的光線，經過場景渲染過程，由虛擬相機記錄下來，生成虛擬相機所拍攝的照片。虛擬相機拍攝的照片顯示在電腦屏幕上，我們就看到了遊戲場景畫面。三維場景的渲染，本質上就是將計算機技術描述的 3D 場景，經過一系列計算過程，最終以 2D 圖像的形式呈現在顯示屏幕的過程。

Unity 場景渲染的要素：

• 光源
• 可繪製的遊戲對象
• 材質
• 攝像機

Unity 的四種基本光源：

• 點光源（Point Light）
• 方向光（Directional Light）
• 聚光燈（Spot Light）
• 面光源（Area Light）

我們通過設置光源的顏色、 強度以及它們在場景中的位置等參數，營造遊戲場景不同的光照效果。

可繪製的遊戲對象

大部分可繪製的遊戲對象都包含三個基本組件：

• Transform
• Mesh Filter
• Mesh Renderer

其中 Transform 描述了物體的位置、 朝向和縮放比；Mesh Filter 指定了物體模型的網格信息；Mesh Renderer 指定了物體的渲染方式，物體的材質在 Mesh Renderer 組件中設置。

材質

在 Unity 中，我們用材質定義物體與光線相互作用後 產生的視覺效果。

攝像機

在 Unity 中我們藉助虛擬相機來觀察遊戲場景，虛擬相機的參數給出了觀察者在何處以何種角度和投影方式，來觀察遊戲場景。

Unity 渲染技術

添加了光源、 可繪製的物體、 材質和相機後，Unity 引擎可以渲染出對應的遊戲場景畫面。在遊戲開發中，把這些簡單的要素堆積在一起，無法獲得逼真的遊戲畫面，為了獲得更佳酷炫、 逼真的遊戲視覺畫面，需要在遊戲場景中使用 Unity 引擎的高級渲染技術，比如說，全局光照，著色器技術。

Unity 光照進階

光源類型和屬性

如上文所說，Unity 的四種基本光源分別是點光源，方向光，聚光燈，面光源。

點光源：

• 從光源位置向所有方向發射出強度相等的光線
• 在傳輸過程中不斷的衰減，當傳輸距離達到預設的極限距離 range 時，光線強度衰減為0
• 適合模擬燈籠，火把等局部光源

方向光：

• 不會衰減，它以相同的強度和方向，照亮空間中的所有物體
• 位置信息沒有任何意義
• 常用來模擬那些體積較大，距離遊戲場景非常遠的光源，比如日光和月光

聚光燈：

• 聚光燈從光源位置開始向某個特定方向照射，照亮一個圓錐體的空間區域，在傳播過程中不斷衰減
• 通常用於模擬人造光源，比如手電筒，車燈，探照燈等

面光源：

• 使用一個矩形來定義，光線將從矩形的正面出發，照亮矩形前的一片區域
• 適用於模擬廣告燈箱等光源
• 不能作為實時光源

光源的屬性：

• 類型以及類型相關的屬性
• 烘培(Baking：烘培屬性 )

1. 實時（Realtime）
2. 烘培（Baked）
3. 混合（Mixed）

• 顏色

1. Color:光源的顏色
2. Intensity:光源的強度
3. Bounce Intensity:間接光照的強度

• 強度／反射強度
• 陰影

1. 無陰影（No Shadows）
2. 硬陰影（Hard Shadows）
3. 軟陰影（Soft Shadows）

• 渲染類型
• Cookies:通過紋理，給光源添加一層遮罩，改變光斑形狀

Halo

勾選 Halo 屬性，Unity 會在光源所在位置繪製一個球形的光暈。

Flare

設置光源產生的鏡頭光暈效果。

Render Mode

光源的渲染方式

• 自動（Auto）
• 重要（Important）
• 不重要（Not Important）

對於重要的光源，Unity 會以逐像素的方式渲染被照射到物體。這種渲染更加精細，能夠產生陰影，但需要消耗較多的計算資源。對於不重要的光源， Unity 會以逐頂點，或者逐對象的方式來渲染被照射到的物體。這種渲染方式速度較快，但是質量不如逐向式的渲染方式，不能產生陰影。 Unity 會自動為重要程度為 Auto 的光源。

Culling Mask

選擇渲染方式 Culling Mask 設置光源所能照射到物體類型，可選項為當前項目中的 Layer。 只有被選中 Layer 包含的遊戲對象，才能受到這個光源的影響。

使用 Spot Light 模擬 FPS 遊戲中的手電筒效果。

這裡介紹一下 Flash Light Controller 腳本：

//玩家手電筒控制腳本public class FlashLightController : MonoBehaviour { private Light mylight; void Start () { //獲取玩家的聚光燈對象 mylight = GetComponent<Light> (); } void Update () { //根據玩家的輸入，開啟或關閉手電筒（調整聚光燈對象的亮度） if (CrossPlatformInputManager.GetButtonDown ("Fire3")) { if (mylight.intensity < 0.1) mylight.intensity = 5f; else mylight.intensity = 0.0f; } }}

陰影

陰影的產生

光線從光源出發，沿直線進行傳播。 在傳播過程中，光線遇到場景中的物體，在物體表面發生反射或者折射現象， 照亮了物體表面。 反射或折射發生後，如果光線改變傳播方向， 無法照射後續的物體，被照射物體就在後續物體區域產生了陰影。

我們換一種方式來理解陰影，假設有一台相機， 它和光源具有相同的位置，面向場景，此時相機觀察到的場景區域 就是被照亮的區域；反之，如果被相機觀察到的區域就會出現陰影。 Unity 也利用這種方法來渲染陰影。 它首先在光源位置放了一台臨時攝像機，渲染一遍場景， 渲染過程只計算當前視角下可見的物體的深度信息， 並以 shadowMap 的方法保存下來。shadowMap 記錄了場景中哪些物體離光源最近， 能夠被光線直接照射到。 場景中不在 shadowMap 圖像上的部分都是陰影區域。 最後當場景攝像機正式繪製場景時，參考這張 shadowMap 繪製出陰影。

Unity 渲染陰影的方法

• 設置光源的 Shadow Type 為 Hard Shadows 或者 Soft Shadows
• 設置 Shadow 的相關屬性
• 設置光源的 Render Mode 為 Auto 或者 Important
• 對於遮擋光線並在其他物體上產生陰影的對象，設置其 Mesh Renderer 組件的 Cast Shadows 為 On
• 對於接收陰影的物體，在 Mesh Renderer 組件中，勾選其 Receive Shadows 屬性

有時，即使正確地設置了光源和遊戲對象的相關屬性， 也依然無法看到陰影。 羅列了造成該問題的一些原因供大家檢查。

1. 顯卡可能過於古老，不支持陰影的渲染；
2. 項目質量設置中關閉了陰影；
3. 產生陰影的光源的 Rendering Mode 設置為 Auto， 有些情況下 Auto 光源會被 Unity 自動判定為非 Important 光源， 或者無法產生陰影。 如果認為這個光源的陰影效果很重要， 可以把它強制改為 Important 光源；
4. Unity 中的透明物體是無法產生陰影的；
5. 接收陰影的物體使用了 Standard Shader，並且 Rendering Mode 改為 Transparent， 這種情況下無法生成陰影；
6. 接收陰影的物體的材質使用了其它逐頂點的著色器，無法產生陰影。

日常開發過程中開啟了陰影之後，我們會發現物體表面上出現一些奇怪的條紋或者斑點， 這是由於 Unity 在計算陰影時，ShadowMap 的精度不足造成的。 我們把這種錯誤的條紋稱為馬赫帶。 我們在光源對象 Light 組件中，稍微調高 Bias 屬性的值，可以消除馬赫帶。 這裡需要注意，如果 Bias 值設置過大，會導致陰影面積減小，或者消失。

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