深入探讨：光探针（LightProbe）原理解析与数据编辑技巧

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GI_comparison_1.png

可见，直射光无法到达的暗部必须通过间接照明来照亮，而不是添加实时光来增加暗部的亮度。

事实上，如果场景中有很多灯光——，例如，如果给上图中的房间添加很多补光灯来增加室内亮度——

它还会导致场景中的明暗对比度降低，使画面显得“更扁平”。

这也是很多朋友项目场景中普遍存在的问题，即亮度不够进行光补偿。修改了一下，发现整个场景充满了太多的灯光，所以场景很亮。明暗没有对比，导致视觉效果不真实。

我相信你一定已经想到了。这个想法的另一种实践是在亮度不够的时候用灯来补光。 —— 当场景中的角色不够亮时，您还可以选择使用灯光对角色进行补光。 ——也有前面提到的同样的问题。

那么怎样才能更合理地凸显人物性格呢？（虽然照亮角色本身并不符合物理规则，但游戏效果显然有这样的需求）。如上图所示，使用间接光来照亮物体是个好主意，但不够亮？增加间接光的亮度。

如何在Unity中为动态物体提供间接光？这就引出了下面的主角——LightProbe。

0x02 LightProbe的核心

LightProbe主要解决如何在动态物体和角色上使用烘焙的光照信息。

事实上，LightProbe的核心是球面亮度信号的编码和重建。

Light-Probe-Interpolation-Using-Tetrahedral 如果你了解信号处理的话，你就会知道，只要信号满足一定的条件，就可以分解为一系列正弦谐波的总和，并且谐波频率以一定的幅度增加。多个频率，即所谓的傅里叶级数。

Lightprobe也采用了类似的想法，利用球谐函数对球体上的亮度信号进行编码。

类似地，原始亮度信号也可以分解为一系列带有缩放参数的基函数之和，我们只需要知道这些基函数的缩放系数，就可以在运行时快速重建原始亮度信号。

Spherical_Harmonics.png 但有一个问题，那就是如果想要完美地重建原始照明信号，显然需要很多很多甚至无限的球谐函数。但幸运的是，LightProbe 中保存的主要是一些低频光照信息。换句话说，它没有高频变化，所以如果我们通过丢弃所有较高频率来压缩球体上的频域数据，没有人会注意到。所以这里我们只能取有限的低频谐波函数。

在Unity中，烘焙GI中的LightProbe使用三阶球谐函数（9个参数），实时GI中的LightProbe使用二阶球谐函数（4个参数）。

OK，信号编码的问题解决了，另一个问题是运行时如何重构亮度信号。事实上，使用lightprobe的成本非常低，因为你只需要将缩放系数与其对应的基函数相乘，然后将结果求和即可得到近似的原始信号。

接下来我们看看Unity中的LightProbe中保存了哪些数据。

截图2018-04-20 PM 12.23.56.png 在Unity中，我们可以使用脚本将场景中的LightProbe保存为Asset，并且只要保证其以文本格式序列化，我们就可以直接查看其数据内容。

AssetDatabase.CreateAsset(Instantiate(LightmapSettings.lightProbes), "Assets/lightProbe.asset");您可以注意到的第一件事是“m_Tetrahedra”部分。

截图2018-04-21 9.27.39.png

这实际上是运行时LightProbe插值所需的四面体数据。因为如果要进行插值，显然需要知道需要哪些点进行插值，还需要知道每个点的权重。

在Unity中，根据角色的位置选择一个四面体，然后使用组成四面体的点进行插值。当然，也可以确定每个点的权重。

截图2018-04-21 AM 9.34.55.png 在下方位置，我们还可以找到烘焙后的球谐函数的系数。

截图2018-04-21 am 9.48.20.png 可以看到9个参数，3个通道，所以每个点总共有27个浮点数据。

综上可以看出，使用LightProbe时，计算开销并不大，比较大的开销主要来自于内存的占用。

0x03 修改LightProbe数据提亮角色

ok，简单介绍一下LightProbe的原理和实现。现在我们回到最初的问题，那么如何才能更合理地突出场景中的人物呢？

其实我们可以通过修改烘焙的LightProbe数据来实现这个需求。

光1.png

正如您在上图中看到的，角色已经融入到场景中。虽然这样比较现实，也符合物理规律，但我想这对于很多人来说显然不是一个好的效果。如果角色能再突出一点就更好了。

幸运的是，Unity提供了获取烘焙LightProbe数据的接口：

varprobes=LightmapSettings.lightProbes.bakedProbes; BakedProbes 存储了一堆“SphericalHarmonicsL2”对象。您可以通过修改SphericalHarmonicsL2 的缩放比例来修改LightProbe 提供的亮度。

除了修改亮度之外，有时我们还希望角色有不同的环境光效果，以更加突出角色。这时我们可以通过SphericalHarmonicsL2中定义的AddAmbientLight方法来实现：

探针.AddAmbientLight(颜色);提亮并修改环境颜色后，我们的角色在场景中将如下所示。比实时照明更自然且更便宜。