Unity支持三种混合光照模式，分别是Baked Indirect，Subtractive，Shadowmask。Shadowmask模式又分为两种，Shadowmask和Distance Shadowmask。这次我们来研究一下这三种光照模式，对光照，静态/动态物体，阴影，以及前向/延迟渲染的影响。首先三种模式的设置放在Window/Rendering/Lighting Settings下：

Shadowmask模式的设置现在放到了Edit/Project Settings下，位于Quality选项：

其次，要开启混合光照，需要将光源的模式设置为mixed：

下面让我们对这几个光照模式逐一进行分析。

Baked Indirect

如图所示的场景，我们只启用一个平行光源并设置为mixed，将光照模式调置baked indirect：

该模式只会将光源间接光照的部分烘焙到lightmap和light probe中，实时光照则不受影响。由于它只烘焙间接光照，因此lightmap看起来会比较暗：

lightmap用于为标记为静态static的物体添加间接光照的信息，动态dynamic的物体是使用light probe来获取间接光照。baked indirect模式天然对多个光源支持友好，例如我们再开启一个平行光源：

此时看一下烘焙的lightmap，对比发现变亮了一些，这是因为多了一个光源的间接光照：

baked indirect模式下前向渲染的流程与实时光照基本相同，由一个base pass加上多个光源的add pass组成：

由于lightmap中已经包含所有光源的间接光照，因此只要在forward base pass中对lightmap采样一次即可，避免forward add pass多次采样。延迟渲染的流程也基本不变，几个光源就有几个light pass：

不过这里注意到light pass中并没有开启LIGHTMAP_ON宏。LIGHTMAP_ON宏是在geometry pass中生效的：

这就意味着我们需要在geometry pass中对lightmap进行采样，将间接光照的信息写入G-Buffer。最后来看下阴影，baked indirect模式下前向渲染的阴影都是实时渲染的，和实时光源的流程基本一致：

场景中有两个平行光源，因此会做两次阴影收集。但是注意在base pass中渲染阴影时，要避免使用unity内置的UNITY_LIGHT_ATTENUATION宏，此时shadow fade会失效：

两张截图都是shadow distance设置为10的效果。第一张截图是自定义材质，第二张截图是使用standard shader的默认材质，对比可以发现第二张截图shadow fade的效果更明显。那么为什么此时shadow fade会失效呢？

首先我们打开frame debug，观察到base pass下渲染静态物体时定义了LIGHTMAP_ON和SHADOWS_SCREEN这两个宏：

在这种情况下，unity在UnityShadowLibrary.cginc中还会定义另外一个宏：

#if defined( SHADOWS_SCREEN ) && defined( LIGHTMAP_ON )#define HANDLE_SHADOWS_BLENDING_IN_GI 1
#endif

而如果定义了这个宏，unity对shadow的采样函数就会发生变化：

#if defined(HANDLE_SHADOWS_BLENDING_IN_GI) // handles shadows in the depths of the GI function for performance reasons
#   define UNITY_SHADOW_COORDS(idx1) SHADOW_COORDS(idx1)
#   define UNITY_TRANSFER_SHADOW(a, coord) TRANSFER_SHADOW(a)
#   define UNITY_SHADOW_ATTENUATION(a, worldPos) SHADOW_ATTENUATION(a)
#else...
#endif

在没有定义HANDLE_SHADOWS_BLENDING_IN_GI这个宏的情况下，UNITY_SHADOW_ATTENUATION宏都会走到UnityComputeForwardShadows这个函数中：

// -----------------------------
//  Shadow helpers (5.6+ version)
// -----------------------------
// This version depends on having worldPos available in the fragment shader and using that to compute light coordinates.
// if also supports ShadowMask (separately baked shadows for lightmapped objects)half UnityComputeForwardShadows(float2 lightmapUV, float3 worldPos, float4 screenPos)
{//fade valuefloat zDist = dot(_WorldSpaceCameraPos - worldPos, UNITY_MATRIX_V[2].xyz);float fadeDist = UnityComputeShadowFadeDistance(worldPos, zDist);half  realtimeToBakedShadowFade = UnityComputeShadowFade(fadeDist);...
}

可以看到此时调用了unity内置的计算shadow fade的函数。而SHADOW_ATTENUATION这个宏并不会：

#if defined (SHADOWS_SCREEN)#define SHADOW_ATTENUATION(a) unitySampleShadow(a._ShadowCoord)
#endif#if defined (SHADOWS_DEPTH) && defined (SPOT)#define SHADOW_ATTENUATION(a) UnitySampleShadowmap(a._ShadowCoord)
#endif#if defined (SHADOWS_CUBE)#define SHADOW_ATTENUATION(a) UnitySampleShadowmap(a._ShadowCoord)
#endif#if !defined (SHADOWS_SCREEN) && !defined (SHADOWS_DEPTH) && !defined (SHADOWS_CUBE)#define SHADOW_ATTENUATION(a) 1.0
#endif

unitySampleShadow和UnitySampleShadowmap这两个接口只会对shadowmap进行采样，返回平滑过的采样结果，并不会考虑shadow fade的情况，因此我们需要在定义HANDLE_SHADOWS_BLENDING_IN_GI这个宏的条件下，在调用完UNITY_SHADOW_ATTENUATION之后手动补上shadow fade的处理，处理方式可以参考UnityComputeForwardShadows这个函数。处理之后效果如下：

可以看出此时已经有了shadow fade的效果。另外值得一提的是，设置shadow distance，会在渲染shadowmap时对超出distance范围的物体进行剔除，使得最后渲染出的shadow map本身就不包含超出shadow distance物体的投射阴影信息：

在shadow distance设置为10时，RenderShadowMap只用了17个pass，而设置为200时，需要41个pass：

那么，如果是延迟渲染路径的话，shadow fade会失效吗？答案是不会的。因为在延迟渲染中，采样lightmap的时机和绘制阴影的时机是分开的，一个在geometry pass，一个在light pass：

Shadowmask

baked indirect模式开销比较昂贵，它实际上是直接光使用实时光照，间接光使用lightmap，所有的阴影也都是实时渲染的。shadowmask模式除了烘焙间接光之外，还会烘焙阴影。阴影不存储在lightmap中，而是存储在另外一张名为shadowmask的map中：

可以发现，shadowmask看上去是红色的，这是因为Unity将烘焙的阴影信息保存在不同的通道上。这里我们只用了一个平行光源，因此信息保存到了R通道上。如果我们使用两个平行光源，此时shadowmask如图所示：

shadowmask模式只烘焙静态物体所投射的阴影，动态物体不受影响。我们来看下前向渲染的流程，也是由一个base pass加上其他光源的add pass组成：

另外我们可以发现，RenderShadowMap的pass数量大量减少，shadowmask模式不再为static物体渲染实时阴影了。与baked indirect模式类似地，base pass渲染静态物体会同时定义LIGHTMAP_ON和SHADOWS_SCREEN这两个宏，这会使得HANDLE_SHADOWS_BLENDING_IN_GI这个宏生效，因此shadowmask模式下我们也需要处理base pass的shadow fade。

我们可以使用unity内置的APIUnitySampleBakedOcclusion对shadowmask进行采样：

// ------------------------------------------------------------------
// Used by the forward rendering path
fixed UnitySampleBakedOcclusion (float2 lightmapUV, float3 worldPos)
{#if defined (SHADOWS_SHADOWMASK)#if defined(LIGHTMAP_ON)fixed4 rawOcclusionMask = UNITY_SAMPLE_TEX2D(unity_ShadowMask, lightmapUV.xy);#elsefixed4 rawOcclusionMask = fixed4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);#if UNITY_LIGHT_PROBE_PROXY_VOLUME...#elserawOcclusionMask = UNITY_SAMPLE_TEX2D(unity_ShadowMask, lightmapUV.xy);#endif#endifreturn saturate(dot(rawOcclusionMask, unity_OcclusionMaskSelector));#else...#endif
}

unity_OcclusionMaskSelector是一个四维的向量，用于根据当前是哪个光源提取shadowmask对应的通道值：

shadowmask模式中物体接收到的阴影，既可能来自于静态物体，也可能来自于动态物体，而静态物体投射的阴影是烘焙在shadowmask和light probe中，动态物体投射的阴影是实时渲染在shadowmap中的，因此shadowmask模式需要对这两种阴影进行混合。Unity提供了内置的API，UnityMixRealtimeAndBakedShadows来做这件事情：

// ------------------------------------------------------------------
// Used by both the forward and the deferred rendering path
half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{// -- Static objects --// FWD BASE PASS// ShadowMask mode          = LIGHTMAP_ON + SHADOWS_SHADOWMASK + LIGHTMAP_SHADOW_MIXING// Distance shadowmask mode = LIGHTMAP_ON + SHADOWS_SHADOWMASK// Subtractive mode         = LIGHTMAP_ON + LIGHTMAP_SHADOW_MIXING// Pure realtime direct lit = LIGHTMAP_ON// FWD ADD PASS// ShadowMask mode          = SHADOWS_SHADOWMASK + LIGHTMAP_SHADOW_MIXING// Distance shadowmask mode = SHADOWS_SHADOWMASK// Pure realtime direct lit = LIGHTMAP_ON// DEFERRED LIGHTING PASS// ShadowMask mode          = LIGHTMAP_ON + SHADOWS_SHADOWMASK + LIGHTMAP_SHADOW_MIXING// Distance shadowmask mode = LIGHTMAP_ON + SHADOWS_SHADOWMASK// Pure realtime direct lit = LIGHTMAP_ON// -- Dynamic objects --// FWD BASE PASS + FWD ADD ASS// ShadowMask mode          = LIGHTMAP_SHADOW_MIXING// Distance shadowmask mode = N/A// Subtractive mode         = LIGHTMAP_SHADOW_MIXING (only matter for LPPV. Light probes occlusion being done on CPU)// Pure realtime direct lit = N/A// DEFERRED LIGHTING PASS// ShadowMask mode          = SHADOWS_SHADOWMASK + LIGHTMAP_SHADOW_MIXING// Distance shadowmask mode = SHADOWS_SHADOWMASK// Pure realtime direct lit = N/A#if !defined(SHADOWS_DEPTH) && !defined(SHADOWS_SCREEN) && !defined(SHADOWS_CUBE)#if defined(LIGHTMAP_ON) && defined (LIGHTMAP_SHADOW_MIXING) && !defined (SHADOWS_SHADOWMASK)//In subtractive mode when there is no shadow we kill the light contribution as direct as been baked in the lightmap.return 0.0;#elsereturn bakedShadowAttenuation;#endif#endif#if (SHADER_TARGET <= 20) || UNITY_STANDARD_SIMPLE//no fading nor blending on SM 2.0 because of instruction count limit.#if defined(SHADOWS_SHADOWMASK) || defined(LIGHTMAP_SHADOW_MIXING)return min(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation);#elsereturn realtimeShadowAttenuation;#endif#endif#if defined(LIGHTMAP_SHADOW_MIXING)//Subtractive or shadowmask moderealtimeShadowAttenuation = saturate(realtimeShadowAttenuation + fade);return min(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation);#endif//In distance shadowmask or realtime shadow fadeout we lerp toward the baked shadows (bakedShadowAttenuation will be 1 if no baked shadows)return lerp(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation, fade);
}

函数看起来很复杂，不过这里我们只需要考虑shadowmask模式下前向渲染路径的情况。主要可以细分为以下几种类型：

（1）forward base pass下的静态物体

可以看到此时有LIGHTMAP_ON，LIGHTMAP_SHADOW_MIXING，SHADOWS_SCREEN 和SHADOWS_SHADOWMASK这几个宏生效了。LIGHTMAP_ON表明我们需要对lightmap进行采样；SHADOWS_SCREEN表明我们需要用到shadowmap采样实时阴影，这里特指平行光用到的screen space shadowmap；SHADOWS_SHADOWMASK表明我们需要用到shadowmask采样烘焙阴影；由于实时和烘焙的阴影都需要用到，LIGHTMAP_SHADOW_MIXING表明需要对这两种阴影进行混合。综合这些宏再去看上面这个函数，会简化成这样：

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{realtimeShadowAttenuation = saturate(realtimeShadowAttenuation + fade);return min(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation);
}

（2）forward base pass下的动态物体

可以看到此时有LIGHTMAP_SHADOW_MIXING，LIGHTPROBE_SH，SHADOWS_SCREEN这几个宏生效。因为是动态物体所以没有用到lightmap和shadowmask采样。LIGHTPROBE_SH表示动态物体接收到了静态物体产生的烘焙阴影，需要通过light probe获得，因此此时LIGHTMAP_SHADOW_MIXING宏也会生效，函数也会走到相同的逻辑上：

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{realtimeShadowAttenuation = saturate(realtimeShadowAttenuation + fade);return min(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation);
}

（3）forward base pass下没有实时阴影的静态物体

有些静态物体不会接收到动态物体产生的阴影，进而也不需要对shadowmap采样：

可以看到此时SHADOWS_SCREEN 宏不生效，那么实际上也不需要进行阴影混合：

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{return bakedShadowAttenuation;
}

（4）forward base pass下没有实时阴影的动态物体

与情形（3）类似，此时也不需要对shadowmap采样，阴影全部来自light probe，因而只有LIGHTPROBE_SH宏生效：

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{return bakedShadowAttenuation;
}

（5）forward add pass下的静态物体

如前文所述，add pass主要少了对lightmap的采样，add pass不会定义LIGHTMAP_ON宏：

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{realtimeShadowAttenuation = saturate(realtimeShadowAttenuation + fade);return min(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation);
}

（6）forward add pass下的动态物体

add pass也不会对light probe进行处理，因此不会定义LIGHTPROBE_SH宏：

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{realtimeShadowAttenuation = saturate(realtimeShadowAttenuation + fade);return min(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation);
}

（7）forward add pass下没有实时阴影的静态物体

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{return bakedShadowAttenuation;
}

（8）forward add pass下没有实时阴影的动态物体

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{return bakedShadowAttenuation;
}

虽然用到了大量不同的宏，但是总结一下就是如果存在需要混合实时阴影和烘焙阴影的情况，无论静态物体还是动态物体，无论是base pass还是add pass，都会走到取min值的逻辑；如果只有烘焙阴影，则直接返回它的值；如果只有实时阴影，则会走到最后lerp插值的逻辑。

对于延迟渲染路径来说，我们需要在geometry pass阶段，单独采样shadowmask然后保存到新的G-Buffer中：

struct FragmentOutput {#if defined(DEFERRED_PASS)float4 gBuffer0 : SV_Target0;float4 gBuffer1 : SV_Target1;float4 gBuffer2 : SV_Target2;float4 gBuffer3 : SV_Target3;#if defined(SHADOWS_SHADOWMASK)float4 gBuffer4 : SV_Target4;#endif#elsefloat4 color : SV_Target;#endif
};#if defined(DEFERRED_PASS)#if defined(SHADOWS_SHADOWMASK)output.gBuffer4 = UnityGetRawBakedOcclusions(shadowUV, i.worldPos.xyz);#endif
#endif

UnityGetRawBakedOcclusions也是Unity提供的内置API，专门用于延迟渲染路径：

// ------------------------------------------------------------------
// Used by the deferred rendering path (in the gbuffer pass)
fixed4 UnityGetRawBakedOcclusions(float2 lightmapUV, float3 worldPos)
{#if defined (SHADOWS_SHADOWMASK)#if defined(LIGHTMAP_ON)return UNITY_SAMPLE_TEX2D(unity_ShadowMask, lightmapUV.xy);#elsehalf4 probeOcclusion = unity_ProbesOcclusion;#if UNITY_LIGHT_PROBE_PROXY_VOLUME...#endifreturn probeOcclusion;#endif#elsereturn fixed4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);#endif
}

静态物体就是直接从shadowmask中采样：

动态物体返回unity_ProbesOcclusion这个默认值：

在light pass阶段，需要对刚才保存shadowmask的G-Buffer进行采样，然后进行阴影混合，这与前向渲染路径类似：

half UnityDeferredComputeShadow(float3 vec, float fadeDist, float2 uv)
{half fade                      = UnityComputeShadowFade(fadeDist);half shadowMaskAttenuation     = UnityDeferredSampleShadowMask(uv);half realtimeShadowAttenuation = UnityDeferredSampleRealtimeShadow(fade, vec, uv);return UnityMixRealtimeAndBakedShadows(realtimeShadowAttenuation, shadowMaskAttenuation, fade);
}//Note :
// SHADOWS_SHADOWMASK + LIGHTMAP_SHADOW_MIXING -> ShadowMask mode
// SHADOWS_SHADOWMASK only -> Distance shadowmask mode// --------------------------------------------------------
half UnityDeferredSampleShadowMask(float2 uv)
{half shadowMaskAttenuation = 1.0f;#if defined (SHADOWS_SHADOWMASK)half4 shadowMask = tex2D(_CameraGBufferTexture4, uv);shadowMaskAttenuation = saturate(dot(shadowMask, unity_OcclusionMaskSelector));#endifreturn shadowMaskAttenuation;
}

unity_OcclusionMaskSelector变量的含义与前向渲染相同，用来筛选当前光源对应的通道。

Distance Shadowmask

在distance shadowmask模式中，静态物体投射的阴影会发生变化。在shadow distance范围内，静态物体投射的阴影也变成了实时阴影，只有shadow distance范围外才使用shadowmask。distance shadowmask模式的设置位于Edit/Project Settings/Quality中：

与shadowmask模式类似，我们依旧可以使用内置APIUnityMixRealtimeAndBakedShadows计算最后的阴影值。由于这里物体接收到的阴影要么全部来自实时阴影，要么全部来自shadowmask/light probe，因此并不存在阴影混合的情况，也即LIGHTMAP_SHADOW_MIXING宏不生效：

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{#if !defined(SHADOWS_DEPTH) && !defined(SHADOWS_SCREEN) && !defined(SHADOWS_CUBE)return bakedShadowAttenuation;#endif//In distance shadowmask or realtime shadow fadeout we lerp toward the baked shadows (bakedShadowAttenuation will be 1 if no baked shadows)return lerp(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation, fade);
}

如果在超出shadow distance范围的情况下，会直接返回bakedShadowAttenuation，否则就是根据shadow fade的值做一个线性插值。

Subtractive

最后来看一下subtractive模式。该模式相对来说最简单，渲染效率也最高，它把直接光照，间接光照，阴影信息都烘焙到了一张lightmap中：

subtractive模式下的前向渲染路径也是由一个forward base pass加上多个光源的add pass组成。此时静态物体投射的阴影全部来自于lightmap，因此没有渲染到shadowmap的过程；并且静态物体的直接光照也被烘焙到了lightmap，所以add pass中也没有渲染静态物体的过程：

此时，动态物体投射的阴影来自实时光源，而这个阴影与lightmap混合，还需要从lightmap中减去光照信息，才能得到相对正确的效果，也就是说实际上subtractive模式只支持一个平行光源的情况。由于阴影一部分来自lightmap，一部分来自shadow map，所以LIGHTMAP_SHADOW_MIXING宏开启。

由于直接光照不用实时计算，所以我们需要将其屏蔽掉：

#if defined(LIGHTMAP_ON) && defined(SHADOWS_SCREEN)#if defined(LIGHTMAP_SHADOW_MIXING) && !defined(SHADOWS_SHADOWMASK)#define SUBTRACTIVE_LIGHTING 1#endif
#endifUnityLight CreateLight (Interpolators i) {UnityLight light;#if SUBTRACTIVE_LIGHTINGlight.dir = float3(0, 1, 0);light.color = 0;#else...#endifreturn light;
}

接下来就是要在间接光照的处理中把光照和阴影分开来。首先还是使用UNITY_LIGHT_ATTENUATION来计算光照的衰减值，采样烘焙阴影的逻辑在UnitySampleBakedOcclusion中，但此时已经没有了shadowmask，只会走到以下的逻辑：

// ------------------------------------------------------------------
// Used by the forward rendering path
fixed UnitySampleBakedOcclusion (float2 lightmapUV, float3 worldPos)
{fixed atten = 1.0f;return atten;
}

相应地，用于混合实时阴影和烘焙阴影的函数UnityMixRealtimeAndBakedShadows会简化成这样：

half UnityMixRealtimeAndBakedShadows(half realtimeShadowAttenuation, half bakedShadowAttenuation, half fade)
{#if !defined(SHADOWS_DEPTH) && !defined(SHADOWS_SCREEN) && !defined(SHADOWS_CUBE)#if defined(LIGHTMAP_ON) && defined (LIGHTMAP_SHADOW_MIXING) && !defined (SHADOWS_SHADOWMASK)//In subtractive mode when there is no shadow we kill the light contribution as direct as been baked in the lightmap.return 0.0;#endif#endif#if defined(LIGHTMAP_SHADOW_MIXING)//Subtractive or shadowmask moderealtimeShadowAttenuation = saturate(realtimeShadowAttenuation + fade);return min(realtimeShadowAttenuation, bakedShadowAttenuation);#endif
}

在subtractive模式下，如果没有实时阴影，则直接返回attenuation为0，它表示阴影信息全部来自lightmap；否则，由于这里bakedShadowAttenuation为1，返回的就是实时阴影的衰减值。

前面提到过，subtractive模式下，光照和阴影都烘焙到lightmap中了：

但这里烘焙的只是静态物体投射的阴影，我们需要预估动态物体阴影带来的衰减影响，也就是要把这部分从lightmap采样中减去。由于lightmap烘焙的光照只包含diffuse，因此可以使用lambert diffuse计算公式来预估实时光照：

float ndotl = saturate(dot(i.normal, _WorldSpaceLightPos0.xyz));
float3 shadowedLightEstimate = ndotl * (1 - attenuation) * _LightColor0.rgb;

shadowedLightEstimate表示被实时阴影衰减掉的光照预估，而lightmap中只包含了被烘焙阴影衰减掉的光照，因此需要从中减掉：

float3 subtractedLight = indirectLight.diffuse - shadowedLightEstimate;
indirectLight.diffuse = min(subtractedLight, indirectLight.diffuse);

对比效果如下：

（a）未减去光照预估

（b）减去光照预估

不过，subtactive模式并不支持延迟渲染路径，就算开了延迟渲染，也会走到forward pass上：

最后，一张图来看这几种光照模式对静态/动态物体，和它们投射/接收阴影的影响：

如果你觉得我的文章有帮助，欢迎关注我的微信公众号（大龄社畜的游戏开发之路）

Reference

[1] Mixed Lighting

[2] 如何理解Unity中的MixedLighting

[3] SHADOWS_SHADOWMASK与LIGHTMAP_SHADOW_MIXING

[4] 浅析Unity中的Enlighten与混合光照

[5] 聊聊LightProbe原理实现以及对LightProbe数据的修改

[6] Unity shader的内置宏与变体（一）

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