Unity预计算实时GI（五）UV展开与减少光照图数量

我们曾经为大家介绍了预计算实时GI的必要性、如何定义一个适合场景的光照分辨率、光照图的概念以及使用光照探针优化光照的方案。您可以点击下面的标题对之前的教程进行回顾：

本文我们一起来看看如何帮助剩下的光照图做瘦身工作。

UV展开

为什么要讨论UV展开？因为生成光照图(Charts)是为了包裹静态网格渲染器(Static Mesh Renderer)的UV贴图坐标，所以一个对象所需要的光照图数量主要取决于物体需要展开的UV Shell数量。这就涉及到UV展开的问题，它需要保持几何面上贴图像素扭曲度与所需Shell数量之间的平衡。

一般来说Unity的UV展开算法能得到不错的结果，但有时候需要我们手动调整设置，因此有必要了解一下自动UV展开功能背后的原理。下面我们来看看三个UV展开的不同例子。

这样的UV展开不会变形，但需要多张UV Shell

从上图我们可以看到，作为贴图的棋盘网格图像瓦片一样保持比例地贴在立方体表面，并没有变形。试想如果这个棋盘图是一个光照贴图，我们会得到一个视觉正常没有变形的结果，只是需要耗费6个UV Shell。这就表示用Unity PRGI进行计算时也将生成六张光照图，从曾经介绍过的光照图的概念一文中我们了解到，不论何种条件，每张光照图至少都需要4x4 texel来表示，这在还没考虑分辨率之前最少就会消耗96个像素。

用单一UV Shell所产生的结果，贴图变形很严重

上图中物体的UV贴图坐标只用一个UV Shell就涵盖了所有范围，虽然这种做法生成的光照图最少，但视觉效果却不理想。 我们会看到物体表面的贴图歪了，而且它们在UV空间里也相互重叠，如果这是一张光照贴图，物体一面的光照可能会错误投射到相反面上。很明显这种UV展开是有问题的。

比较理想的结果，单一UV Shell且贴图未变形

上图的结果比较理想，棋盘没有扭曲，网格比例也保持正方形。而且还成功地用一张UV Shell覆盖了物体的所有面。届时通过连接或缝合对应在模型的边缘以匹配位置。

如果从程序化角度考虑，整个UV展开过程做了哪些事情呢？首先我们会通过正交投影(Orthogonal Projection)让UV贴图在物体上生成独立的Shell，然后分析哪些Shell和物体的边缘有相连关系，一旦找到这些边缘，最后把UV Shell的内容移进去并与相邻的Shell缝合起来。

光照图的可视化

在开始优化UV展开流程和光照图之前，我们需要想办法在编辑器中查看它们。光照图是在网格导入流程中的展开阶段(Unwrapping stage)生成的。对于PRGI来说，这些光照图会在预计算的几何阶段(Geometry stage)被打包到不同的图集(Atlas)里，这样做是为了确保它们不会相互重叠。一旦预计算的几何阶段完成之后就会产生可视化数据，我们就能预览光照图。

如果您使用版本控制(Version Control)进行管理，需要注意这个预览信息只会储存在本机，所以在开始查看之前要执行一次预计算。

UV Charts模式

如上图所示，UV Charts模式会将场景中不同光照图表示为不同的颜色，光照图分辨率用附在上面的棋盘格表示。在场景视图切换为UV Charts绘制模式时，可以快速查看光照图，我们可以从场景视图(Scene View)左上方的Draw Mode下拉列表中选择UV Charts。如果启用了自动烘焙(Window > Lighting > Auto)，也会自动计算UV展开参数的改变并在场景视图中更新。

如上图，Charting模式的预览视图会用不同颜色的格子表示光照图，并用浅蓝色的线表示光照贴图的UV。

当场景较为复杂时，从场景视图中有可能会漏看光照图。这时候我们可以在Lighting视图中使用预览模式查看单个物体使用的所有光照图。这样可以帮我们更精确地评估这些物体的UV展开结果，有助于降低光照图的数量。具体操作如下：

• 打开Lighting界面(Window > Lighting)，选择Object标签页

• 从层级视图(Hierarchy)中选择要查看的对象。

• 查看Lighting界面的预览视图，从最上方的下拉列表中选择Charting模式。

对象使用的光照图数量会以不同颜色的方块叠放在对应的浅蓝色UV坐标上。

UV展开参数说明

下面我们一起来看一下几个有助于优化UV展开的设置，所有的设置都是针对单一对象，具体设置方法如下：

• 打开Lighting界面(Window > Lighting)并选择Object标签页

• 从层级视图(Hierarchy)中选择要设置的对象

在设置的时候，我们会遇到一些参数，下面就一起来看看。

Auto UV Max Distance(自动最大UV距离)

Unity的UV展开算法会尝试调整不同的Shell，将UV边缘拼接在一起来简化UV贴图。如果加入Shell后还能将UV尺寸保持在Auto UV Max Distance设置的范围内，才会被考虑加入。这个范围是用Unity的世界空间坐标来定义的，在我们的示例里是1米。

在Lighting视图的Object标签页下设置Auto UV Max Distance

大多数情况下，预设的0.5就能有很好的效果，但对于面积较大的物体可能要提高这个值来防止本来应该被缝合的UV贴图被UV展开算法排除在外。

增加这个值通常会让物体所需的光照图数量减少，而降低这个值通常有助于解决贴图像素被拉伸的问题，当然也会需要生成更多的光照图进行覆盖。 改变这个值后可以使用UV Charts绘制模式查看场景，从覆盖的棋盘图来评估并进行实验以找出一个最好的平衡点。

Auto UV Max Angle(自动最大UV角度)

UV展开的计算当然也会考虑到相邻Shell的角度，Auto UV Max Angle定义了相邻面共享边缘允许的最大角度，并用内角来计算。如果背面的角度大于这个值，就会排除缝合这个UV Shell。

在Lighting视图的Object标签页下设置Auto UV Max Angle

提高这个值会让Unity的算法更容易组合UV图，我们能通过这个功能来降低单个对象的光照图数量，但如果设得太宽松，有时会出现贴图被拉伸的情况。反之，降低这个值会造成算法不易将相邻的UV排一起，虽然拉伸的情况会减少，但是会生成更多光照图。以同样的方式，我们可以在UV Charts绘制模式下查看棋盘图并尝试出一个最适合的值。

Preserve UVs(保留UV)

在某些情况下，自动展开UV如果无法获得理想效果，可能会导致生成过多的光照图或贴图失真(GI Charts绘制模式可以做拉伸检查)。 在这种情况下可能需要在模型的UV01通道手动创建UV。 这必须要在其它工具中完成。

如果出现这种情况，可以在Preserve UVs选项让Unity算法强制使用模型UV01通道指定的UV Shell。

当需要手动保留UV图时，Preserve UVs选项很有用

要注意的是，这些Shell会被重新打包以节省光照贴图空间，它们会被单独解开保留，而非仅仅记录光照贴图内的坐标信息。

使用这个功能时必须小心，当指定的UV贴图包含大量的UV Shell时，这个功能可能会让预计算的时间加长，因为会跳过Unity的UV展开算法，手动保留的UV Shell到时候会全部交给预计算流程。 请注意，最好的结果是尽可能的降低UV Shell和光照贴图数量，并将UV贴图保持在可接受的拉伸范围内。

Ignore Normals(忽略法线)

在某些情况下，网格导入器可能会拆分几何体，这也会影响到光照贴图数量。例如，如果某个网格有非常多的三角面，Unity可以为了性能将它分割成几个独立的子网格。通常这么做是为了符合特定的硬件需求，比如为了减少每个Draw Call中的三角面数量。拆分通常发生在相邻的网格面之间法向角度有较大变化的区域，比如锐角边(Hard Edges)。这样拆分网格的方式会在模型导入流程中执行，在这个过程中，UV Shell也可能会被拆分开来放到不同的光照图，导致生成额外的光照贴图。

Ignore Normals选项可以防止在导入模型时对光照图进行拆分

有时通过这种方式对光照图进行拆分并不理想，得到的结果会增加光照图数量并加长预计算的时间，还有可能在照明的接缝处造成不必要的视觉假象。在这种情况下，启用Ignore Normals选项有助于防止光照图在预计算的时候被拆分开来。

请注意，这个选项仅对预计算实时光照(PRGI)有影响，物件被拆分的网格仍然会被保留以用于其它用途。

大场景迅速迭代

复杂的场景可能包含着上百或上千的静态对象，计算这些对象的光照图可能会导致预计算变得很慢，对场景的迭代速度产生负面影响。

当测试研究上述设置时，将物体放到空场景中会很有帮助，这样可以用最小的预计算时间进行快速迭代。测试好设置之后将该设置复制回原本场景里其它的同类型对象，有助于节省时间。具体操作如下：

• 打开示例中的LightingTutorialStart场景

• 从层级视图(Hierarchy)中选择Environment > Structures > Houses下的HouseBig02对象。

• 按下Ctrl + C键复制该对象(Mac是Cmd + C)

• 按下Ctrl + N键建立一个新的场景(Mac是Cmd + N)

• 可能弹出提示框询问是否保存，选择Yes可保存，选择No不保存。

• 在新的空场景里按下Ctrl + V键粘贴对象(Mac是Cmd+V)

• 打开Lighting界面(Window > Lighting)选择Scene标签页

• 确保勾选最下方的Auto

• 选择Object标签页

• 在最上方左边的下拉列表中选择Charting

• 拉大预览视图区域来查看对象UV展开的情况

优化预计算时间

当调整UV展开设置时，最好的结果是找到生成光照图最少与失真度最低的参数组合。 请记住，当启用UV Charts绘制模式时，可以从场景中棋盘图的拉伸状况评估失真程度。

上图中，棋盘图案用来可视化光照贴图的分布，这张图呈现出棋盘图和模型的一致性，代表失真度低。

上图中棋盘图在模型表面被拉伸，表示和光照图的分配不一致。

接下来通过教学示例，来实现我们所学的关于UV展开与优化预计算时间的方法：

• 打开示例中的LightingTutorialStart场景

• 从层级视图(Hierarchy)中选择HouseBig02对象(Environment > Structures > Houses下)

• 打开Lighting界面(Window > Lighting)并选择Object标签页

• 从上方左边的下拉列表中选择Charting

• 展开预览视图，注意这里显示了UV Shell与对应颜色的光照图数量

用Charting模式查看预设设置下的HouseBig02对象，还有很大的优化空间

HouseBig02是场景里较为复杂的对象，使用了多张光照图，但还可以调整设置来减少光照图的数量。

UV展开设置面板

不存在某个固定设置能适用于所有UV展开的情况，Unity的UV展开算法会基于预设值进行适当的决定，但通过一些经验积累，可以微调出更好的效果。

接下来会开始进行预计算，如果将Auto UV Max Distance调整为0.1，经过短暂的计算时间后，我们可以从预览视图看到光照图数量明显增加许多，检查场景视图可以看到贴图只有轻微拉伸，这是好现象。但我们无法接受光照图数量增加过多。 因为光照图过多代表预计算时间会变长，性能也会降低。

但是若将Auto UV Max Distance调整为10，现在问题应该会反过来，光照图的数量会减少，但可以从UV Charts绘制模式中看出，光照图拉伸的问题变得很严重。

Auto UV Max Distance值太高可能会导致UV图被拉伸

Unity会尝试将UV Shells合并以最小化光照图的数量，当两个Shell要合并时会把这个值一并列入考虑，如果两个Shell的距离大于这个值，就不会被合并。

所以当调低Auto UV Max Distance值时，被合并的UV Shell就会减少。这代表最后会生成很多单独的光照图。 而当调高这个值时，距离很远的UV Shell都会被考虑合并，就会生成较少的光照图，但相对而言也会让光照图容易产生扭曲。

对于大物体，有时可能需要调高这个值来确保覆盖整个网格面积，相反，如果是小物体，也可以调低这个值来产生更好的效果。以示例HouseBig02来说，将Auto UV Max Distance设为0.8可以达到较好的平衡。

Auto UV Max Distance设为0.8后效果不错。但还可以继续改善

Auto UV Max Angle参数和Auto UV Max Distance一样影响着Unity的UV展开算法的结果，该算法除了会检测距离之外，也会检测相邻网格之间的角度，角度低于这个值才会被合并。角度越小表示检测通过率越低，被合并的UV Shell越少，也就会生成更多的光照图。相反，角度越大表示算法能容忍的角度越大，被合并的UV Shell越多。这和Auto UV Max Distance的情况一样，结果是会减少光照图的数量，但是会出现变形的问题。

如果将Auto UV Max Angle设置为0，从预览视图可以看到所产生的光照图非常清晰，那是因为我们只允许0或更小的角度才考虑合并，这表示没有UV Shell会被合并，每个都会独立生成光照图。

设置角度过小会导致生成过多的光照图

接下来试试将角度调大：

• 从层级视图(Hierarchy)中选择HouseBig02对象

• 打开Lighting界面(Window > Lighting)选择Object标签页

• 慢慢调高Auto UV Max Angle，观察预览视图中的效果

可想而知，光照图的数量会随着角度增加而减少，这是因为更多的UV Shell被合并，UV Shell数量降低光照图就会变少。

加大角度有助于减少光照图，尤其是在具有圆形表面的物体上

以本例的HouseBig02来说，将Auto UV Max Angle设为93效果最好。请注意预计算完成后减少的光照图数量。

从Charting预览看到优化之后的HouseBig02

到这里就可以将测试出来的设置带回原本的场景，请注意，步骤有点复杂：

• 再次从层级视图(Hierarchy)中选择HouseBig02对象
  

• 找到检视面板(Inspector)中的Mesh Renderer组件，点击上面的齿轮按钮后选择Copy Component。

• 重新打开LightingTutorialStart场景

• 从层级视图(Hierarchy)中找到原先的HouseBig02的目录

• 按住Ctrl(Mac按住Cmd)键，然后将所有的HouseBig02一一点选。

• 打开Lighting界面(Window > Lighting)选择Object标签页

• 点击齿轮，选择Paste Component Values，刚刚调好的设置就会更新到全部选中的HouseBig02对象上

如上图所示，Copy Component是复制设置到另外一个场景较为简便的方法，当必须调整场景中好几百个对象的设置时，这样的操作更能节省时间，将时间花在其它优化上。

UV展开设置应该考虑实例(pre-instance)还是预制件(pre-Prefab)呢? 可以将UV展开设置保存在预制件(Prefab)里，只要将这些带有Static Mesh Renderer组件的对象存成预制件即可，或是直接将设置赋给场景中的对象。如果将UV展开设置赋给一个由Prefab实例化(Instance)的对象，那将会覆盖掉原本在Prefab中的设置。这是一种在某些情况下能提供设置场景光照的实用做法。

为预制件设置一个默认的UV展开和光照设置通常很有用，如果Prefab需要经常被实例化，这么做就能预先设置对象的UV展开，以节省在场景中进行重复设置的时间。

另一方面，这种做法适合一些特定场景的光照设置，在这种场景中的物体会受周遭环境不同程度的影响。例如，在离玩家近的区域内看到的预制件可以设置更高的品质，反之，如果物体离得很远，那就不必使用同样的设置，这里应该降低光照贴图品质，并降低光照图的数量。

可以配置一个符合大部分情况的设置，然后在需要的情况下去覆盖这些设置。而本文中，我们是针对每个实例对象进行设定。

整个场景的UV展开

现在是时候学以致用了，就以示例场景为例。在显著改善了预计算时间后，设置场景应该用不了太久。操作步骤如下：

• 打开LightingTutorialStart场景

• 从层级视图(Hierarchy)中找到Environment > Structures最上方的对象

• 将该对象复制到一个空场景

到这里应该利用所学内容，尝试各种不同的值，善用UV Charts绘制模式和Charting模式做对比，找到平衡较好的设置。

如果不知道如何设置，LightingTutorialOptimal这个示例场景可以作为一个很好的参考，虽然大多数情况下使用预设值就可以得到很好的效果。

• 尝试使用不同的值来找出光照图数量最低和失真度最小的平衡点

• 复制设置，回到LightTutorialStart场景将设置赋给所有相同对象。 选择多个对象可以一次粘贴所有设置

• 对层级视图(Hierarchy)里Structures目录下所有单独命名的对象重复此步骤

一旦所有在Structures目录下的物件都有了优化设置，就可以转到Rocks目录下处理剩下的静态对象了。以这种方式手动循环设置好场景中所有的静态对象，可以确保更好的迭代流程和更佳的执行效能。

总结

本文我们围绕UV展开的概念，对它的参数、光照图可视化和针对大场景的迭代等进行探讨，并且结合教学实例帮助大家理解。觉得收获不小吧？如果想要了解更多的技术文章，请访问Unity官方中文社区(forum.china.unity3d.com)。

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