Unity媒體與娛樂創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的光照主管Jean-Philippe Leroux參與制作了一些優(yōu)秀影視動(dòng)畫項(xiàng)目，包括：《ADAM 2》和《ADAM 3》，以及《大白的夢》。
現(xiàn)今影視動(dòng)畫行業(yè)，正在進(jìn)行著重大變革－實(shí)時(shí)制作的興起。實(shí)時(shí)動(dòng)畫現(xiàn)在不僅僅是一個(gè)渲染解決方案，它還革新了整個(gè)創(chuàng)作流程。
實(shí)時(shí)創(chuàng)作引擎最初是用于游戲開發(fā)的工具，隨著畫面質(zhì)量的提高和技術(shù)的不斷成熟，如今實(shí)時(shí)創(chuàng)作引擎已經(jīng)能夠作為創(chuàng)作工具，制作影視級的內(nèi)容。
那么實(shí)時(shí)渲染與離線渲染有什么不同呢？我們是如何把大型渲染農(nóng)場上數(shù)小時(shí)的處理過程，轉(zhuǎn)變?yōu)樵趲酌雰?nèi)實(shí)現(xiàn)的即時(shí)反饋和4K畫質(zhì)結(jié)果呢？這里沒有使用任何魔法，而是許多簡化操作、近似處理、優(yōu)化過程和小技巧結(jié)合起來的結(jié)果。
我們制作的實(shí)時(shí)渲染動(dòng)畫短片《Sherman》的目標(biāo)之一：展示HDRP制作高級實(shí)時(shí)渲染效果的能力。
本文，Jean-Philippe Leroux將重點(diǎn)介紹如何在Unity實(shí)現(xiàn)《Sherman》的實(shí)時(shí)光照解決方案，并提供實(shí)用的建議與技巧。不論你是3D動(dòng)畫專家還是傳統(tǒng)光照藝術(shù)家，本文都將提供需要的工具，幫助你在Unity中為實(shí)時(shí)內(nèi)容創(chuàng)建豐富而細(xì)膩的光照效果。
解析《Sherman》
在下圖的畫面中，光照部分進(jìn)行了很多處理，我們將詳細(xì)講解所有元素是如何結(jié)合起來的。在這個(gè)鏡頭中，我們可以梳理出幾乎所有Unity光照效果方面的知識(shí)，以便你在自己的項(xiàng)目中活學(xué)活用。
我們可以把實(shí)現(xiàn)該畫面的光照效果分為四類，然后分別介紹如何控制這些光照類型。
掌控環(huán)境光照
如下圖所示，展現(xiàn)了間接漫反射光照即全局光照對畫面的影響。
首先，我們定義場景的環(huán)境光照。在《Sherman》中，環(huán)境光照并不是簡單地使用一個(gè)環(huán)境光來模擬光線散射，而是利用了Unity漸進(jìn)式光照貼圖，將全局光照的結(jié)果烘焙到光照貼圖中，制作出局部的環(huán)境光照。
光照貼圖
我們的項(xiàng)目使用了多場景設(shè)置，所有靜態(tài)場景元素保存在episode_set場景游戲?qū)ο蟆?/span>
場景光照元素保存在Unity的活動(dòng)場景episode_set_lighting中。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)榛顒?dòng)場景決定生成的光照數(shù)據(jù)保存在什么位置。
了解多場景工作流程：
https://docs.unity3d.com/Manual/MultiSceneEditing.html
我們不需要使用001_timeline場景來構(gòu)建場景光照，因此在制作過程中，我們會(huì)卸載該場景。如果仔細(xì)觀察，我們可以看到名稱為ToHide的部分，其中包含一個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)太陽定向光的實(shí)例。
一些后期處理效果對光照很重要，例如：色調(diào)映射和環(huán)境遮蔽，但我們需要攝像機(jī)來呈現(xiàn)這些效果。在給場景添加光照時(shí)，我們使用一個(gè)臨時(shí)的攝像機(jī)，而在項(xiàng)目完全加載后，應(yīng)該只會(huì)留下一個(gè)攝像機(jī)。當(dāng)烘焙完成后，ToHide調(diào)試攝像機(jī)和光照會(huì)被再次隱藏起來。
對于光照貼圖中的任何對象來說，相應(yīng)的UV不應(yīng)該發(fā)生重疊，每個(gè)表面都需要有特定的UV。大部分情況下，我們可以在導(dǎo)入時(shí)讓Unity自動(dòng)生成光照貼圖UV。
了解更多UV內(nèi)容：
https://docs.unity3d.com/Manual/LightingGiUvs-GeneratingLightmappingUVs.html
對于復(fù)雜的有機(jī)對象，最好讓美術(shù)使用數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)作DCC軟件來制作UV2。如果想要在光照貼圖中不連續(xù)的邊緣上，實(shí)現(xiàn)更加平滑的結(jié)果，拼接縫隙是一個(gè)簡單的方法。
下圖為Unity Lighting設(shè)置面板。
我們來看看Lighting光照標(biāo)簽頁，了解制作《Sherman》場景的光照設(shè)置：
首先，我們在CPU漸進(jìn)式光照貼圖中使用了Mixed Lighting Bake Indirect。由于HDRP不支持Realtime Global Illumination（實(shí)時(shí)全局光照），因此我們沒有使用該功能。
每次發(fā)布新版本的Unity時(shí)，GPU Lightmapper都有很大的改進(jìn)，但在制作《Sherman》時(shí)，它仍缺少我們需要的關(guān)鍵功能。
我不喜歡使用Shadowmask模式，該模式會(huì)將陰影和大部分光照烘焙到光照貼圖中，以進(jìn)行動(dòng)畫制作。
通過使用Bake Indirect，光照計(jì)算會(huì)非常簡單，但分辨率較低，這意味著烘焙時(shí)間更短，而且我們可以靈活地矯正每個(gè)鏡頭的光照方向。
Direct Samples設(shè)置和所選模式?jīng)]有任何關(guān)系，因?yàn)槲覀儧]有烘焙任何直接光照，因此可以無視該設(shè)置。
一開始可以將Indirect Sample的數(shù)值設(shè)置得小一點(diǎn)，例如：250左右，在確定場景設(shè)置后，我們可以提高該數(shù)值。
對于Bounces設(shè)置，一般設(shè)為2就夠了，但如果是室內(nèi)場景，我建議設(shè)為4。
在設(shè)置Lightmap Resolution時(shí)，可以先設(shè)置較小的數(shù)值，隨后逐漸增大。在此場景中，我們最后選擇的分辨率為10，因此每平方米有100個(gè)紋素。
請注意：在光照和物理方面的設(shè)置中，我們要把1個(gè)Unity單位等價(jià)于真實(shí)環(huán)境中的1米。
在場景中，了解和利用網(wǎng)格的Scale In Lightmap參數(shù)非常重要。如果小型對象的三角面太小，無法覆蓋多個(gè)光照貼圖紋素，我們可以提高Scale In Lightmap值，對于遠(yuǎn)處的較大對象，我們可以減小該值。我們可以啟用Baked Lightmap視圖和Show Lightmap Resolution選項(xiàng)，輕松預(yù)覽光照貼圖的分辨率。
并非所有對象都適合添加光照貼圖。我們不應(yīng)該為光照貼圖標(biāo)記多個(gè)表面的復(fù)雜對象，或是對全局光照影響不大的小型對象，例如：草、樹葉、小石子或碎片，否則渲染光照貼圖耗費(fèi)的性能開銷會(huì)很大。為此，我們可以禁用Lightmap Static。
部分大型靜態(tài)對象也不適合使用光照貼圖，例如：短片中的籬笆，但我們?nèi)韵Ｍ鼈兡軌蛴绊懝庹战鉀Q方案。
為了讓對象對光照產(chǎn)生影響的同時(shí)，不必為其制作光照貼圖，我們在此使用了一個(gè)技巧：把該對象的Scale In Lightmap值設(shè)為0。例如：在籬笆的邊緣部分，我們可以清楚看到籬笆對光線的遮蔽效果，即使籬笆沒有制作光照貼圖。
下圖中展示了場景視圖設(shè)置，以及籬笆區(qū)域光照貼圖的近距離效果。
在其它部分使用光照探針
在設(shè)置好環(huán)境光照和光照貼圖后，光照探針組將照亮剩余的小型動(dòng)態(tài)對象。在《Sherman》中，我們創(chuàng)建了一組間距為1米的光照探針組。
通過巧妙使用光照探針代理體積，草坪等大型對象會(huì)從更為精細(xì)的探針光照中受益。通過這種方法，對象會(huì)被局部探針采樣照亮，而不是被單個(gè)探針照亮。
下圖中為在大型對象上使用光照探針代理體積的效果。我們可以看見，被不同探針照亮的草地會(huì)被分為大塊的區(qū)域。
小提示：在多場景設(shè)置中，只有來自最近加載場景的光照探針會(huì)在光照中考慮。
環(huán)境遮蔽
現(xiàn)在我們已經(jīng)了解如何產(chǎn)生精美的局部環(huán)境光照，那么要如何才能避免環(huán)境光照填補(bǔ)不應(yīng)該影響的區(qū)域光，并讓對象接觸到地面呢？
首先，我們需要使用常用的DCC工具，為部分對象生成環(huán)境遮蔽貼圖，例如：狗窩內(nèi)部和浣熊的嘴巴。
然后，我們使用屏幕空間環(huán)境遮蔽（SSAO）后期處理效果來將元素結(jié)合在一起。我們會(huì)在之后的后期處理部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。
規(guī)劃反射效果
如下圖所示，左側(cè)畫面為使用間接鏡面反射光照的部分，右側(cè)畫面為結(jié)合環(huán)境反射和烘焙反射的效果。
在實(shí)時(shí)環(huán)境中，間接鏡面光照即反射效果是一系列技術(shù)結(jié)合的成果。這些技術(shù)包括：
實(shí)時(shí)平面反射
實(shí)時(shí)反射探針
小型烘焙反射探針
大型反射探針：較小探針體積的優(yōu)先級比較大探針體積更高
天空
平面反射效果示例
下圖展示了平面反射的效果。
反射效果分辨率和緩存大小都通過HDRenderPipelineAsset資源來管理。平面反射就跟鏡子一樣，這類反射非常適合平坦表面，但也能夠用于較復(fù)雜的情況，例如：影片中浣熊和膨脹的水管表面上的反射。但須小心使用這類效果，因?yàn)樗鼈儠?huì)使用較多內(nèi)存。
實(shí)時(shí)反射探針也可以用于展示光源上反射和遮蔽部分的重要細(xì)節(jié)。在影片中，我們使用了一個(gè)小的實(shí)時(shí)球型探針來包住食盆，在上面反射出即將爆炸的水管。
我們需要使用烘焙反射光照探針來覆蓋場景。我們應(yīng)該利用大小探針的不同優(yōu)先級，投射體積的視差矯正和高級混合模式。一個(gè)不錯(cuò)的方法是：將光照捕捉點(diǎn)放在攝像機(jī)工作的平均高度上。
如果仔細(xì)觀察，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)部分反射探針專門用于陰影區(qū)域。這些探針用來消除來自天空的定向光產(chǎn)生的多余鏡面反射效果。
使用Timeline
對于所有基于動(dòng)畫的內(nèi)容而言，Timeline是實(shí)用的序列工具和管理中心。在Timeline上，我們可以為大部分對象添加動(dòng)畫，而在制作每個(gè)鏡頭的光照時(shí)，我們使用的是Activation Track激活軌道。
相對于在各個(gè)鏡頭調(diào)整光照綁定的每個(gè)組件，我認(rèn)為管理特定鏡頭的分組會(huì)更加簡單。下圖展示了跟隨攝像機(jī)變換的光照分組激活軌道。
下面是使用Timeline的一些小技巧：
如果希望在Timeline上為某個(gè)對象添加動(dòng)畫，對象一定要和Timeline本身在同一個(gè)場景。在《Sherman》中，Timeline所在的場景為001_timeline場景。當(dāng)重新打開項(xiàng)目或進(jìn)入運(yùn)行模式時(shí)，指向其它場景的鏈接都會(huì)丟失。
禁用Post-playback狀態(tài)，否則在進(jìn)行渲染時(shí)，場景會(huì)保留播放后的光照綁定。
在修改鏡頭編輯內(nèi)容或時(shí)間設(shè)置時(shí)，可以將動(dòng)畫軌道轉(zhuǎn)換為剪輯軌道，方便重新安排動(dòng)畫。
了解更多關(guān)于激活軌道的信息：https://docs.unity3d.com/Manual/TimelineActivationTrackProperties.html
使用預(yù)制件
預(yù)制件非常適合對需要多次重復(fù)使用的對象進(jìn)行分組，我們可以使用預(yù)制件修改分組的組成內(nèi)容，所有對應(yīng)實(shí)例會(huì)自動(dòng)發(fā)生相應(yīng)變化。
在預(yù)制件實(shí)例上，我們可以選擇性撤銷任何改動(dòng)，也可以將實(shí)例恢復(fù)原始預(yù)制件的樣子，即時(shí)應(yīng)用預(yù)制件的改動(dòng)。此外，預(yù)制件系統(tǒng)也提供框架，實(shí)現(xiàn)無縫派生的工作流程，不僅可以調(diào)整實(shí)例，也可以快速創(chuàng)建和驗(yàn)證變體。
從Unity 2018.2版本開始，Unity支持預(yù)制件嵌套功能，該功能非常適用于光照綁定的快速迭代。
下圖展示了第一個(gè)動(dòng)畫的光照預(yù)制件結(jié)構(gòu)，我們可以從中看到激活軌道上每個(gè)鏡頭的結(jié)構(gòu)。由于只展示當(dāng)前鏡頭中存在的光照對象，因此其它對象都暫時(shí)被隱藏起來。
在場景層級窗口的光照部分中，我們可以看到：
場景設(shè)置的重寫對象
在鏡頭中嚴(yán)格用于構(gòu)成陰影的對象
控制大氣效果的密度體積
食盆的實(shí)時(shí)反射探針
太陽光、補(bǔ)光與邊緣光等其它預(yù)制件
使用預(yù)制件系統(tǒng)還有另一個(gè)好處：當(dāng)對象在場景中實(shí)例化后，在處理光照時(shí)，不必在版本控制工具中反復(fù)檢查場景。這意味著，團(tuán)隊(duì)的其他成員也能夠在場景中進(jìn)行制作。
需要注意的是：預(yù)制件上的部分屬性無法派生變化，需要使用自定義實(shí)例來實(shí)現(xiàn)變化，相關(guān)情況包括：體積配置文件、后期處理配置文件和Timeline等可編程對象。
添加太陽光
每個(gè)鏡頭分組都有一個(gè)太陽的實(shí)例，我們可以在每個(gè)鏡頭進(jìn)行太陽朝向的微調(diào)。如下圖所示，我們還使用了樹木的裁剪貼圖，來制作有趣的陰影效果。
高質(zhì)量陰影
通過進(jìn)行正向渲染，HDRP為我們提供了百分比近距離柔和陰影（PCSS），它可以模擬光線照射在對象上產(chǎn)生的半陰影。
在實(shí)時(shí)環(huán)境下，光線沒有使用光線追蹤功能，我們使用陰影貼圖來產(chǎn)生陰影。陰影會(huì)耗費(fèi)一定的性能，而且每個(gè)光線都需要啟用陰影。
HDRP的陰影圖集系統(tǒng)讓我們可以使用大量能夠投射陰影的光線。在《Sherman》中，我們盡可能使用了最大的陰影圖集。雖然較大的陰影圖集能夠極大地提升畫質(zhì)，但由于所含的信息更多，因此計(jì)算時(shí)間也更長，
如果陰影圖集的信息變得飽和，該系統(tǒng)會(huì)動(dòng)態(tài)地調(diào)整陰影大小。陰影分辨率會(huì)根據(jù)光線來定義。在我們的設(shè)置中，精準(zhǔn)光源的分辨率設(shè)為1024，而定向光分辨率設(shè)為4x2048。注意：為了表示立方體，點(diǎn)光源的分辨率設(shè)為6x1024，因此它們非常消耗性能。
定向光陰影可以使用級聯(lián)陰影貼圖CSM技術(shù)來優(yōu)化。為了獲得最佳質(zhì)量，我們需要通過使用HD Shadow Settings組件的重寫，來調(diào)整每個(gè)鏡頭的級聯(lián)陰影分布。
我們也需要在Cinemachine的虛擬攝像機(jī)鏡頭設(shè)置中，調(diào)整近距離剪裁平面。這樣可以向前推動(dòng)第一個(gè)級聯(lián)陰影，這步隨著當(dāng)前鏡頭的時(shí)長增加，會(huì)顯得越來越重要。
使用體積（Volume）
在HDRP中，許多渲染和后期處理的屬性都使用帶有相關(guān)“配置文件”的體積來控制。在Unity 2019.1中，這兩類屬性被結(jié)合到相同的體積組件中，根據(jù)類別進(jìn)行管理。
根據(jù)當(dāng)前攝像機(jī)的位置，配置文件的數(shù)值會(huì)進(jìn)行插值調(diào)整，如果攝像機(jī)不在任何體積中，那么這些屬性會(huì)使用全局配置文件。每個(gè)體積都有優(yōu)先級與權(quán)重值，配置文件的數(shù)值不能動(dòng)態(tài)調(diào)整，但是優(yōu)先級和權(quán)重值可以動(dòng)態(tài)調(diào)整。
如下圖所示，我們使用優(yōu)先級與權(quán)重值這兩個(gè)屬性來制作浣熊的觸電動(dòng)畫。
光照圖層
在Unity中，我們可以將對象指定到特定光照圖層上。如下圖所示，我們手動(dòng)為浣熊的眼睛加入眼神光，讓其看起來更鮮活有趣。
我們還可以使用該功能管理不合適的鏡面高光，這些鏡面高光來自本應(yīng)用于補(bǔ)光和邊緣光的精準(zhǔn)光源。我們通過使用該功能，避免精準(zhǔn)光源影響水面效果。
控制直接鏡面光照
HDRP有一個(gè)非常有趣的光照功能：可以調(diào)整光線的最大柔和度（Max Smoothness），該功能可用于模擬鏡面光源特定大小的色散效果。
我們還能夠?qū)⒐庹赵O(shè)定為影響鏡面光（Affect Specular）或影響漫反射（Affect Diffuse），并在場景內(nèi)容中測試這些設(shè)置的效果。
體積光照
在場景中實(shí)現(xiàn)深度感時(shí)，大氣效果是我們的重要工具。HDRP高質(zhì)量體積光在HDRP設(shè)置中定義，它提供了穩(wěn)定可靠的解決方案，我們可以使用體積光照控制器（Volumetric Lighting Controller），來最大化效果的質(zhì)量。
在《Sherman》中，為了實(shí)現(xiàn)最佳局部效果，我們使用了密度體積，逐個(gè)鏡頭進(jìn)行放置，從而實(shí)現(xiàn)對這些外觀的完整控制。
編輯器內(nèi)顏色分級和攝像機(jī)效果
顏色分級效果在任何制片過程中都是必不可少的部分。我們可以使用該效果在Unity實(shí)現(xiàn)出色的結(jié)果。自從Unity 2019.1開始，后期處理效果已經(jīng)完全集成到HDRP中。
下圖展示了《Sherman》使用顏色分級（Color Grading）效果的前后對比。
本文，我將以《Sherman》的工作流程為基礎(chǔ)進(jìn)行介紹，在《Sherman》中，我們使用的是Post-Processing Stack V2。
請注意：Post-Processing Stack V2和Unity 2019.1中HDRP的Post-Processing Stack V3互不兼容。雖然有部分功能發(fā)生了改變，但基礎(chǔ)概念還是一樣的。
后期處理效果在體積上使用，我們可以在光照場景的主要體積上定義顏色分級、環(huán)境遮蔽、膠片顆粒和影視級動(dòng)態(tài)模糊效果。這些設(shè)置可能會(huì)被部分Timeline上擁有更高優(yōu)先級的體積所覆蓋。
我們也可以使用CinemachinePostProcessing擴(kuò)展，為每個(gè)針對Cinemachine虛擬攝像機(jī)創(chuàng)建的自定義配置文件，定義所有攝像機(jī)相關(guān)效果，包括：泛光、景深和暈影。在某些情況下，因?yàn)楫?dāng)時(shí)Unity 2018.4還沒有預(yù)曝光處理功能，所以我們也使用了后期曝光重寫功能。
色調(diào)映射
由于整個(gè)渲染過程發(fā)生在HDR線性空間中，設(shè)定顏色輸出非常重要?！禨herman》項(xiàng)目一開始就決定使用ACES（學(xué)院色彩編碼系統(tǒng)）輸出，ACES色調(diào)映射提供高對比度的圖像，帶有非常強(qiáng)烈的暗色調(diào)。
為了獲得色彩鮮亮的調(diào)色板，我們需要調(diào)整伽馬值。使用這種色調(diào)映射風(fēng)格的大多數(shù)游戲也會(huì)進(jìn)行同樣的調(diào)整。
軌跡球
我們的新Trackballs軌跡球工具，非常受人喜愛。對專業(yè)人員來說，軌跡球是非常熟悉的工具，它們易于操控。
下圖為顏色分級設(shè)置中的Trackballs軌跡球控制面板。
顏色分級曲線
雖然每次只能展示一條曲線，但我們可以使用許多顏色分級曲線。我們使用了Hue vs Sat、Sat vs Sat和Lum vs Sat三種曲線。
我們給主攝像機(jī)添加了Post Process Debug組件，我們可以在該組件上，啟用波形監(jiān)視器和顏色直方圖。波形監(jiān)視器是非常強(qiáng)大的工具，適合分析黑色與白色部分的適宜程度。
環(huán)境遮蔽
上文已經(jīng)提到過環(huán)境遮蔽，這里我們會(huì)詳細(xì)介紹部分設(shè)置。
在《Sherman》中，Intensity光照強(qiáng)度被設(shè)為0.75，而在部分鏡頭中，我們會(huì)減小該值，以減少大多出現(xiàn)在樹葉部分的噪聲圖案。
我們沒有使用任何不基于物理的渲染（PBR）選項(xiàng)，例如：Color顏色或Direct Lighting Strength直接光照強(qiáng)度。環(huán)境遮蔽效果取決于分辨率，因此我們需要調(diào)整該效果，來適應(yīng)預(yù)期的輸出分辨率。
景深效果
景深DOF不只是快速鏡頭的額外效果，它也是在敘事中轉(zhuǎn)移焦點(diǎn)的重要工具。圖像會(huì)快速變化，因此我們需要小心處理觀眾的注意力。
Cinemachine有非常實(shí)用的跟蹤焦點(diǎn)功能。新版本后期處理工具已經(jīng)完全重寫，不再取決于分辨率。
在Unity 2018中，Visual Effect Graph還沒有透明度渲染隊(duì)列功能。因此在《Sherman》包含水面效果的部分鏡頭中，我們必須避免出現(xiàn)較淺的景深效果。
好消息是，Unity 2019.2的Visual Effect Graph加入了透明度渲染隊(duì)列功能。
暈影
暈影會(huì)模仿真實(shí)鏡頭拍攝時(shí)產(chǎn)生的瑕疵，呈現(xiàn)鏡頭畫面邊角部分的光線丟失效果。為了實(shí)現(xiàn)逼真的感覺，該效果應(yīng)該總是偏圓形的。
請注意：暈影是非常強(qiáng)大的效果，但也容易被過度使用，請注意謹(jǐn)慎使用。
泛光
泛光是一種美觀的瑕疵效果，它是由攝像機(jī)傳感器和骯臟鏡頭漏出的強(qiáng)光產(chǎn)生的。我們可以在Unity模擬該效果，但也要記得合理使用。
結(jié)語
動(dòng)畫的光照很復(fù)雜，而且難以掌控。本文，我們針對傳統(tǒng)光照藝術(shù)家講解了在實(shí)時(shí)渲染影片中添加光照的所有知識(shí)。希望你能夠喜歡本文，并主動(dòng)嘗試文中介紹的一些技巧。
我們已經(jīng)回不到過去傳統(tǒng)光照制作的“美好時(shí)光”了，實(shí)時(shí)動(dòng)畫制作正在革新創(chuàng)作方法，開啟了新的可能性。由于有更多嘗試和實(shí)驗(yàn)的空間，我們不必承擔(dān)相應(yīng)后果，因此可以創(chuàng)作更多優(yōu)秀的作品。
閩公網(wǎng)安備 35010202001226號(hào)
