Adaptive Probe System (APS)

流式自適應(yīng)光照探針——為開放世界而生的全平臺高質(zhì)量間接光照。 無限場景規(guī)模 · 零開銷按需特性 · 無需 RTX 烘焙 · URP/HDRP 雙管線統(tǒng)一

為什么我們需要 APS？告別傳統(tǒng)光照的妥協(xié)

間接光照是賦予場景真實感的關(guān)鍵，但在傳統(tǒng)光照方案中，開發(fā)者往往要在質(zhì)量與性能之間艱難取舍：

• Light Probes：性能開銷低，但依賴手動放置，精度和功能都受限。

• Probe Volume：效果雖有提升，但顯存隨場景規(guī)模線性增長，手動布置及漏光問題需要較多精力解決。

• Lightmap：能呈現(xiàn)細膩的光影，但僅適用于靜態(tài)物體；切換時容易出現(xiàn)加載延遲，增量更新的成本也較高。

• 實時 GI：動態(tài)效果極佳，但每幀迭代的計算開銷偏高，對移動端及部分基礎(chǔ)設(shè)備的兼容性構(gòu)成不小挑戰(zhàn)。

原始場景

只有直接光照

補充間接光照

無論是陽光穿透帳篷形成的自然暖光，還是讓陰影中的動態(tài)角色自然受光，間接光照都不可或缺，這里拿 URP Sample 綠洲場景舉例:

傳統(tǒng)Ambient補充統(tǒng)一光照, 場景顯平而且色調(diào)不正確

APS 補充陽光穿透帳篷自然的暖光環(huán)境, 而且能讓動態(tài)角色受光

面對開放世界和跨平臺發(fā)布的嚴苛要求，“大規(guī)模 + 低開銷 + 全平臺”似乎成了不可能完成的三角任務(wù)。為此，團結(jié)引擎傾力打造了自適應(yīng)光照探針系統(tǒng)（Adaptive Probe System），APS 的核心特點是：

• 烘焙換性能

• 流式換規(guī)模

• 自適應(yīng)換效率

• 按需剝離換零開銷擴展

  在URP Garden Demo中啟用APS

APS的三大核心優(yōu)勢

1. 顯存恒定，從容應(yīng)對廣闊世界

傳統(tǒng)探針的顯存占用會隨著場景面積線性增加，給大規(guī)模場景開發(fā)帶來極大壓力。為了解決這一痛點，APS 創(chuàng)新性地采用了 Sector 烘焙結(jié)合流式加載的架構(gòu)。

在這種架構(gòu)下，顯存占用僅取決于開發(fā)者配置的 Page 數(shù)量，成功與場景總面積完全解耦。引擎每幀動態(tài)決定加載相機附近的 Sector，遠景區(qū)域可以占用極小顯存或者完全不占用顯存。只要磁盤容量允許，場景規(guī)模就能實現(xiàn)無縫、平滑的擴展。

StreamerSystem 整體架構(gòu)（完善中)

2. 密度自適應(yīng)，好鋼用在刀刃上

傳統(tǒng)均勻密度的 3D 紋理探針方案往往會在空曠區(qū)域浪費大量資源，而在幾何復(fù)雜的區(qū)域又顯得精度不足。APS 引入了智能的自適應(yīng)密度機制，能夠根據(jù)場景的幾何密度自動調(diào)整探針分布。在室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境中，系統(tǒng)會自動加密探針以捕捉細膩光影；而在平原等開闊地帶，則會自動減少探針數(shù)量。這意味著探針的總量完全由幾何復(fù)雜度決定，而非單純的場景面積。

場景切分成Sectors

各個Sector獨立烘焙不同密度的probes

3. 特性按需啟用，雙管線統(tǒng)一工作流

APS 的所有子特性均支持獨立開關(guān)，賦予了開發(fā)者極大的自由度。未啟用的特性會在 Shader 編譯階段被完全剝離，從而在運行時實現(xiàn)真正的零采樣、零顯存與零分支開銷。

同時，APS支持 URP 與 HDRP統(tǒng)一工作流，雙管線共享同一套數(shù)據(jù)格式、烘焙流程和烘焙結(jié)果，并兼容 Forward、Forward+、Deferred、Deferred+等多種渲染路徑。開發(fā)者只需完成一次接入，即可覆蓋不同管線與平臺配置，大幅降低項目遷移與維護成本。

Deferred+ 管線/APS 關(guān)閉

APS打開后, 霧/VFX/半透均可受光

更多高級特性

場景即時切換

面對晝夜交替、天氣變化等多套烘焙光照場景，APS 可以在運行時實現(xiàn)流暢切換, 所有的插值混合均在 GPU 端高效完成，確保了視覺上的平滑過渡。

更重要的是，混合后的數(shù)據(jù)依然僅占用一份顯存，插值就地完成。開發(fā)者完全不用擔(dān)心因為多套環(huán)境方案的疊加而增加額外的內(nèi)存負擔(dān)，進一步節(jié)省性能。

APS調(diào)試器中切換多套Scenario

運行時動態(tài)調(diào)整

為了賦予美術(shù)團隊極大的創(chuàng)作自由度，APS 支持在不重新烘焙的情況下，于運行時可對多項采樣參數(shù)進行實時動態(tài)微調(diào)。開發(fā)者不僅可以隨時縮放SH 整體強度 (Intensity)和天光強度 (Sky Factor/Scale)來精準把控場景的明暗氛圍；還能通過微調(diào)法線偏移 (Normal Offset)與視角偏移 (View Offset)，有效消除模型表面的自陰影和視差偽影。此外，系統(tǒng)還開放了噪聲縮放系數(shù)(Noise Scale)以及采樣位置偏移(Sample Position Offset)等豐富的細節(jié)參數(shù)，確保畫面能契合美術(shù)預(yù)期。

APS 提供的Volume Override參數(shù)

在廣袤的開放世界中，難免存在大片缺乏建筑或物體的空曠區(qū)域。為了避免在這些地方密集排布探針浪費顯存，StreamerSystem 中引入了Sector Root 機制， 作為根節(jié)點容器，同時能夠提供光照底托，在這些空曠地帶為動態(tài)角色和場景提供穩(wěn)定低開銷的保底光照。

高維度的SectorRoot

多重漏光治理

光泄漏是探針方案中常見的問題。APS 提供了多種可獨立開啟或組合使用的治理能力，幫助開發(fā)者根據(jù)不同場景靈活處理漏光：

• Virtual Offset：通過射線檢測預(yù)修正探針嵌入幾何體內(nèi)部，減少出現(xiàn)暗斑問題。

• Dilation：烘焙期間自動膨脹無效或采樣不足探針，避免采樣到無效探針。

• MRD（MinRayDistance）：預(yù)計算多個方向碰撞距離，為可能穿墻的探針提供更合理的方向性權(quán)重衰減。

• Voxel Occlusion：通過體素化遮擋信息，改善植被、柵欄等細碎幾何體帶來的光照穿透。

• Rendering Layers：通過渲染層區(qū)分室內(nèi)外環(huán)境，減少不同空間之間的光照串?dāng)_。

出現(xiàn)漏光-顏色穿透Probe間的墻壁

預(yù)計算MRD(黃色線)-自動阻擋

多平臺烘焙

在烘焙效率方面，APS 同樣做足了優(yōu)化。我們推薦在 DX12 環(huán)境下開啟 DXR 進行硬件加速，大幅縮短大規(guī)模切分地塊的烘焙時間。同時，系統(tǒng)也完美兼容 DX11 與 Metal 平臺上的 UniversalRayTracing，確保不同硬件環(huán)境下的開發(fā)體驗同樣順暢。

烘焙完成后, 會自動拆分編輯器數(shù)據(jù)， 只用于烘焙的幾何數(shù)據(jù)確保不進入Shipping，多套光照共享數(shù)據(jù)（幾何固定數(shù)據(jù)、防漏光數(shù)據(jù)），只加載用到的，充分利用每一個比特，確保運行時效率。

調(diào)試可視化

APS 內(nèi)置了強大的可視化調(diào)試工具。開發(fā)者可以在面板中直觀查看SH系數(shù)、光照遮擋情況、MRD軸以及各個區(qū)塊的加載狀態(tài)，讓整個光照調(diào)試過程真正做到所見即所得。

APS Voxel - 檢查空間分布密度

APS Probe - 檢查具體烘焙顏色, 漏光

性能表現(xiàn)：全平臺流暢運行的堅實后盾

數(shù)據(jù)實測

APS 在設(shè)計之初充分考慮了不同平臺的性能預(yù)算，目標是在控制內(nèi)存與顯存占用的同時，為多端項目提供穩(wěn)定的間接光照表現(xiàn)。實測結(jié)果顯示：

• PC 平臺：支持 DX11 / DX12，在 RTX 3060 設(shè)備上，即便使用動態(tài)條件分支，仍可穩(wěn)定運行在約77 FPS。

• iOS /MacOS 平臺：基于 Metal，在 iPhone 14 上運行復(fù)雜綠洲大場景時，可穩(wěn)定保持60 FPS。

• Android 平臺：支持 GLES 3.1+ / Vulkan，在小米 14 設(shè)備上實測可達到約80 FPS。

• WebGL / 小游戲平臺：當(dāng)前會自動回退至傳統(tǒng)探針方案，以保證兼容性，后續(xù)將擴展CPU混合與尋址能力。

為了適應(yīng)復(fù)雜的跨平臺硬件生態(tài)，APS 內(nèi)置了精細的性能分級系統(tǒng)，讓開發(fā)者能夠根據(jù)目標設(shè)備的算力，游刃有余地調(diào)配系統(tǒng)資源。

在顯存管理方面，系統(tǒng)提供了極具彈性的顯存預(yù)算控制。開發(fā)者可以根據(jù)設(shè)備的實際規(guī)格，將顯存占用最小從 12MB 起步。這確保了即便是在內(nèi)存吃緊的基礎(chǔ)機型上，依然能穩(wěn)定運行高質(zhì)量的間接光照。為了保障在開放世界中高速移動時的幀率平穩(wěn)，APS 引入了分幀加載量控制機制。通過合理規(guī)劃每幀的 IO 與實例化任務(wù)，有效避免了場景漫游時可能出現(xiàn)的性能峰值與卡頓。

APS設(shè)置面板

采樣策略與精度選擇

在底層采樣模塊上，系統(tǒng)支持在 3D Texture 與 Buffer Based 兩種采樣模式間靈活切換，并涵蓋了對 SH L1/L2 數(shù)據(jù)的精細調(diào)度，確保在不同圖形 API 下都能最大化利用硬件帶寬與緩存。

針對極致的移動端優(yōu)化需求，APS 還特別支持在頂點著色器（Vertex Shader）階段完成探針插值運算（VertexShader Interpolation）。這一策略能夠大幅釋放像素片段著色器的計算壓力，在畫質(zhì)與發(fā)熱之間找到完美的平衡點。

極速入門：輕松開啟自適應(yīng)光照

1. 激活 StreamerSystem

從 Package Manager 中安裝 Streamer System。

2.RenderPipeline Lighting 中激活 APS

在渲染設(shè)置中激活 APS。

3. 指定 Sector Root

指定 Sector Root, 即要處理的場景根節(jié)點。

4. Sector 切分地塊

設(shè)置場景 Sector 單塊的切分大小。

5. 設(shè)置烘焙密度

可以設(shè)置場景 Probe 的自動最小擺放密度。

6. Sector & Bake

參數(shù)配置好了后, 只需要一次性 Sector Scene 將場景切分, 光照有調(diào)整的話, 重新 Bake 即可, 有需要中斷可以點擊 Cancel。

詳細文檔各部分參數(shù)詳細解釋可以查看引擎文檔

[1] APS 概述：
https://docs.unity.cn/cn/tuanjiemanual/Manual/APS-overview.html

[2] 如何使用 APS：

https://docs.unity.cn/cn/tuanjiemanual/Manual/APS-usage.html

[3] APS Runtime API：

https://docs.unity.cn/cn/tuanjiemanual/Manual/APS-api.html

未來展望

團結(jié)引擎對光影技術(shù)的探索仍在繼續(xù)。APS 團隊已規(guī)劃清晰的演進路線：

• 移動端性能突破

引入 SH Pool 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壓縮技術(shù)，進一步優(yōu)化移動端顯存與幀率，讓大型場景在手機上運行得更流暢。

• 渲染核心升級

持續(xù)優(yōu)化 UniversalRayTracing（URT）與 BVH 結(jié)構(gòu)，為運行時動態(tài)追蹤打下基礎(chǔ)；同時加入更多光照子特性，豐富美術(shù)調(diào)光手段。

• 全平臺覆蓋

推進 CPU 混合與尋址方案，擴展對小游戲、Web 端的支持，讓輕量級應(yīng)用也能獲得高質(zhì)量間接光照。

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