【Unity3D技术文档翻译】第3.6篇 全局光照概述（Global Illumination）

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全局光照概述（Global Illumination）

全局光照（Global Illumination，简称 GI）是一种模拟灯光如何从表面反射到其他表面（间接光）的系统，而不是仅仅局限于直接从光源照射到表面的光(直接光)。因为对象之间会互相影响外观，所以模拟间接光产生的效果使得虚拟世界看起来更加真实和一体化。有一个被称为“颜色渗透（color bleeding）”的经典例子：阳光照射在一个红色沙发上，导致红色光线反射到了沙发后的墙上。另一个例子是：当阳光照射到一个洞穴的开口处，光线反射到内部，于是洞穴的内部也被照亮了。

场景视图中的光照效果。注意由间接光营造的微妙的效果。

GI 的概念

传统上，电子游戏和其他实时图形应用都被限制为使用直接光照，因为计算间接光照十分慢，因此只被用于像 CG 动画电影这样的非实时场合。游戏解决这个限制的一种方法是：只计算那些预先知道不会移动的物体和表面的间接光(静态的)。使用这种方式，缓慢的计算可以被预先完成，而且因为对象不会移动，这种预先计算的间接光在运行时仍然是正确的。Unity 就支持这种技术，叫做烘焙GI（Baked GI），也被称为烘焙光照贴图（Baked Lightmaps），都是以“烘焙”命名——间接光在这个过程中被预先计算和存储(烘焙)。除了间接光，烘焙GI还利用了更多的计算时间来从区域光（area lights）和间接光（ indirect light）中生成软阴影，且通常比实时技术生成的更真实。

此外，Unity 5.0 中增加了一种叫作预计算实时GI（Precomputed Realtime GI）的新技术。该技术和上面提到的烘焙GI类似，也需要一个预计算阶段，而且同样被限制用于静态对象。然而，该技术并不只是预计算在构建那一刻场景中的灯光是如何反射的，而是预计算了灯光所有可能的反射，并将这些信息进行编码，在运行时使用。因此本质上，对于所有静态对象，该技术都能回答这样的问题：当任意光线照射到物体表面，它将反射到哪里？Unity 保存了灯光可能传播的路径，以供后来使用。最终在运行时，通过将实际的光线呈现为预先计算的传播路径，光照效果得以实现。

这意味着灯光的数量、类型、位置、方向以及其他属性都能够被改变，同时间接光照将相应地更新。同理，也可以改变对象的材质属性，比如颜色、吸收或发射多少光。

除非场景很小，否则 Precomputed Realtime GI 生成的软阴影要比 Baked GI 生成的颗粒感更大。同时要注意，Precomputed Realtime GI 在运行时生成最终光照，该过程需要迭代好几帧。因此，如果光照发生了巨大的变化，想要完全起效就需要等待更多的帧。虽然对于实时应用，这已经足够快了，然而如果目标平台的资源受限，使用 Baked GI 会具有更好的运行时性能。

GI 的局限性

无论是 Baked GI 还是 Precomputed Realtime GI，都有相同的局限性：只有静态对象能被烘焙或预计算——因此运动的对象就不能发射光到其他对象上，反之亦然。然而，它们仍然能接收使用了 Light Probes（光照探针） 的静态对象的反射光。光照探针就是场景中，在对光照进行烘焙/预计算时被测量（探测）的位置。然后在运行时，照射到非静态物体的间接光线，使用探针的值进行近似，这些值表示物体在任何给定时刻最接近的值。例如，一个在白色墙壁旁边滚动的红色小球不会把它的颜色渗透到墙上，但是一个红色墙壁旁的白色小球，将会通过光照探针接收来自墙壁的颜色。

GI 效果举例

• 改变平行光的方向和颜色，来模拟太阳从天空穿过的效果。通过模拟跟随平行光的天空盒，就有可能创造出一个在运行时更新的、真实的度过一天时间的效果（实际上新加入的 procedural skybox 就能容易地做到这点）。
• 在白天，阳光穿过窗户照射在地板上，然后光线真实地反射到周围空间和天花板上。当阳光接触到一个红色沙发，红色光线会被反射到沙发后的墙面上。如果将沙发的颜色由红色改为绿色，那么它后面的墙面被渗透到的光也会由红变绿。
• 当一个霓虹灯标志被开启时，调节它的材质就可以开始自发光，并照亮周围环境。

关于如何实现这些特性，后面的章节会进一步介绍其中细节。（预警：全局光照是3D游戏中非常重要的部分，内容之多甚至足够自成一书。接下来的四十多节，希望通过学习官方手册中的内容能够对全局光照有个全面的了解。）

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