球谐光照环境贴图最主要的技术实现方式有三种：立方体贴图、IBL和球谐光照。之前已经说过立方体贴图和IBL，今天重点来聊

环境贴图最主要的技术实现方式有三种：立方体贴图、IBL和球谐光照。

之前已经说过立方体贴图和IBL，今天重点来聊一聊球谐光照。

在立方体贴图IBL的基本设置里，Convolution Type属性除了设置为Specular（Glossy Reflection）之外，还可以设置为Diffuse（Irradiance）。Specular 是IBL用于模拟间接光照高光反射的，而Diffuse是模拟间接光照漫反射的。

间接光照漫反射（下文只称漫反射）的实现方式有两种：**一种是IBL，另外一种就是球谐光照。**先来看看IBL实现漫反射的方式。

IBL漫反射

漫反射区别于高光反射，它的颜色变化不会随视角的转动而发生变化，使用IBL实现漫反射，首先要将Convolution Type属性设置为Diffuse（Irradiance）。

Pasted image 20230414100043.png

高光反射的颜色会随着视角的变化而变化，而漫反射不会，在计算颜色时只和法线方向有关，因此，IBL漫反射的计算公式是

// 漫反射颜色的计算
float4 uv_ibl = float4(normal_dir, mip_level);
half4 color_cubemap = texCUBElod(_CubeMap, uv_ibl);
half3 env_color = DecodeHDR(color_cubemap, _CubeMap_HDR);

大家可以对比一下IBL高光反射计算的方式，看看二者的区别：

half4 colorCubeMap = UNITY_SAMPLE_TEXCUBE_LOD(unity_SpecCube0,reflect_dir,mip_Level);
half3 env_color = DecodeHDR(colorCubeMap,unity_SpecCube0_HDR);

在贴图尺寸设置上，如果只是用来实现漫反射效果，贴图的尺寸不需要太大，一般设置512*512就足够了。

漫反射效果，忽略AO，物体各处的光照强度基本一致，没有太多的强弱之分，在视觉上也呈现出温和的效果。

Pasted image 20230414102155.png

球谐光照

球谐光照最主要的应用就是用于计算间接光照（也叫环境光），这里的间接光照是指skybox所发出的光。

IBL也是计算间接光照，skybox发出的环境光有什么特点呢？它最大的特点skybox无限大，如此一来我们可以忽略掉位置信息而只考虑法线信息。也就是说，不管我们的模型多么大，在计算模型上某一个具体点的时候我们认为该点处于天空球中心。

不过IBL计算间接光照最大的缺点就是纹理采样。采用IBL的方法，我们需要存储一张立方体贴图，纹理采样的带宽对于电脑来说可能不算什么，不过对于手机而言就实在是有点奢侈了。

球谐光照可以说是为了弥补IBL的缺点而诞生的一种更加性能优化的计算方式。

这里不探讨球谐光照是如何实现的，因为其中涉及的数学模型计算实在是太复杂了。我们只关注在unity中如何实现球谐光照。

我们先要明白球谐光照的一个最基本原理，它是通过从立方体贴图中计算提取出七个球谐光照系数，然后通过一些复杂的数学计算生成光照颜色，最后赋予给物体。

这些系数的格式如下所示，仅供参考：

Pasted image 20230415103640.png

获取到这些系数后，然后把它传递到shader里面参与计算，计算的核心代码如下所示：


	float4 normalForSH = float4(normal_dir, 1.0);
	//SHEvalLinearL0L1
	half3 x;
	x.r = dot(custom_SHAr, normalForSH);
	x.g = dot(custom_SHAg, normalForSH);
	x.b = dot(custom_SHAb, normalForSH);

	//SHEvalLinearL2
	half3 x1, x2;
	// 4 of the quadratic (L2) polynomials
	half4 vB = normalForSH.xyzz * normalForSH.yzzx;
	x1.r = dot(custom_SHBr, vB);
	x1.g = dot(custom_SHBg, vB);
	x1.b = dot(custom_SHBb, vB);

	// Final (5th) quadratic (L2) polynomial
	half vC = normalForSH.x*normalForSH.x - normalForSH.y*normalForSH.y;
	x2 = custom_SHC.rgb * vC;

	float3 sh = max(float3(0.0, 0.0, 0.0), (x + x1 + x2));
	sh = pow(sh, 1.0 / 2.2);

	half3 env_color = sh;

光照探针

掌握了了球谐光照的基本原理，我们再来说说光照探针。

球谐光照是光照探针的使用基础，如果手动实现球谐光照，就要像上面一样又是计算光照系数，又是引入立方体贴图，还要在shader中进行大量复杂的计算。这无疑非常困难。

但unity已经给开发者封装好了这一系列操作，它就是光照探针！我们来看看光照探针是如何使用的。

全局光照探针

如果场景中没有放置光照探针，unity会默认使用一个全局光照探针，它是在Lightint面板中设置的。

不过，在此之前要先烘焙立方体贴图，这和使用反射探针的操作是一样的。

Pasted image 20230415110813.png

Environment Light是设置光照探针烘焙贴图的相关属性

Environment Reflections是设置反射探针烘焙贴图的相关属性

设置完成后，点击Generate Lighting按钮，就会在场景Scene文件夹下生成一张带有光照信息的立方体贴图。

第二歩、漫反射的计算。球谐光照的shader计算很复杂，但是使用unity内置的球谐光照计算方法ShadeSH9()，计算就会变得非常简单，不过在此之前，还需要设置LightMode、引入相关文件，具体如下：


Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma multi_compile_fwdbase
#include "AutoLight.cginc"
#include "UnityCG.cginc"
half3 env_color = ShadeSH9(float4(normal_dir,1.0));

打开Frame Debugger,在渲染流程中可以查看到球谐光照的系数信息

Pasted image 20230415112230.png