移动游戏动态光照与昼夜循环优化：性能与视觉的双赢策略

我非常理解你在移动平台上优化游戏光照性能的困扰，尤其涉及到动态光源和昼夜循环，确实是个平衡视觉效果与流畅体验的“老大难”问题。针对你的需求，我总结了一些实用的策略和轻量级实现方案，希望能给你提供一些思路。

移动端动态光照与昼夜循环优化的核心思路

核心在于分级LOD（Level of Detail）和混合渲染（Hybrid Rendering）。我们需要在保证关键视觉效果的前提下，尽可能减少每帧的计算量和绘制批次。

1. 动态光照的智能调度与LOD

   • 限制动态光源数量： 移动GPU对动态光源数量非常敏感。尽可能使用静态光照（Lightmap/GI）烘焙大部分场景光照。只对最关键的角色、武器或特效使用实时动态光照。
   • 距离LOD与剔除： 动态光源可以根据其与摄像机的距离进行LOD切换甚至剔除。
     • 近距离： 开启完整动态光照和实时阴影。
     • 中距离： 动态光源可能只贡献高光，不进行完整的漫反射计算，或者切换为更简单的逐顶点光照模型。阴影可以降级为贴图阴影（Decal Shadow）或胶囊体阴影（Capsule Shadow）。
     • 远距离： 完全关闭该光源的动态影响，或者将其贡献烘焙到环境光中。
   • 重要性LOD： 对于非玩家控制的角色或不重要的物体，它们的动态光照和阴影可以有更严格的LOD策略。例如，NPC的实时阴影可以在远距离直接关闭，或用预烘焙的模糊阴影替代。

2. 昼夜循环的性能与视觉平衡

   昼夜循环的复杂性主要体现在动态天空、太阳/月亮光源、环境光照（GI）以及阴影的变化。

   • 主光源处理（太阳/月亮）：
     • 单向光： 太阳/月亮通常作为场景中唯一的方向性动态光源，它的实时阴影是性能开销大户。
     • 阴影级联（CSM）优化： 对于移动端，CSM的级联数量通常限制在1-2级，且每级范围不宜过大。可以根据设备性能动态调整级联距离或分辨率。例如，低端设备只在近处显示一小块高质量阴影，远处直接无阴影或使用简单的环境光遮蔽（AO）模拟深度。
     • 混合阴影： 将远处阴影烘焙进光照贴图或使用距离场阴影（Distance Field Shadows），近处使用CSM。这样可以减少实时阴影的计算范围。
   • 天空系统与环境光：
     • 轻量级物理天空： 移动端很少能直接跑重量级的物理天空渲染。常用的替代方案是：
       • 纹理天空盒（Skybox）： 最轻量级。预渲染多张不同时间点的天空盒纹理，在昼夜循环中进行纹理混合（Blend）或序列播放。环境光照可以通过从天空盒采样或者预计算的球谐函数（SH/Spherical Harmonics）来模拟。
       • 程序化天空（Procedural Sky）： 基于简单的数学模型生成天空颜色和渐变。可以实时调整太阳高度、大气散射等参数。计算量比物理模拟小得多，但视觉效果可定制性强，是平衡性能和效果的理想选择。例如，用几个渐变纹理叠加，加上少量的计算模拟瑞利散射和米氏散射。
       • 基于LUT（查找表）的天空： 预计算大气散射的各种参数到一个LUT中，运行时通过查找表来快速获取天空颜色和环境光。
     • 环境光更新： 昼夜循环中环境光需要平滑过渡。可以实时从天空盒或程序化天空采样，或者在关键时间点烘焙SH探头（SH Probes），运行时插值。

3. 智能调节与设备/画质设置挂钩

   这是实现平衡的关键。游戏启动时或在设置界面，根据设备性能检测或用户选择的画质等级，智能调整光照和天空系统的复杂度。

   • 阴影质量：
     • 高画质： 启用CSM，阴影贴图分辨率较高，级联数可能为2。
     • 中画质： CSM级联数降为1，阴影贴图分辨率降低，或阴影距离裁切更近。
     • 低画质： 关闭大部分实时阴影，只保留关键物体的简单阴影（如角色自身），或全部用假阴影替代。
   • 动态光源数量：
     • 高画质： 允许更多动态光源同屏。
     • 中低画质： 严格限制动态光源数量，非必要光源直接关闭或烘焙。
   • 天空系统：
     • 高画质： 程序化天空或带有LUT的物理天空模拟，环境光采样更精细。
     • 中低画质： 纹理天空盒混合，环境光通过简单的SH或固定颜色插值。
   • 体积雾/体积光：
     • 高画质： 可以尝试轻量级的屏幕空间体积雾（Screen Space Volumetric Fog），例如基于深度图和少量光线步进的方案。这种方案的开销与屏幕分辨率和步进数有关，可以调节。
     • 中低画质： 完全关闭体积雾，或者使用传统的指数雾（Exponential Fog）或线性雾（Linear Fog），它们计算开销极低，通过颜色和密度曲线的变化来模拟昼夜雾气。

4. 更轻量级的物理天空和体积雾实现方案

   • 物理天空替代方案：
     • 预计算LUT + 简单着色器： 如前所述，预计算包含大气散射信息的查找表，在运行时着色器中通过简单的纹理采样和几个数学运算来模拟天空颜色、太阳/月亮圆盘，以及环境光照。这种方案性能极佳，效果也远超普通天空盒。一些引擎的默认天空系统就是基于此原理。
     • 简化模型： 忽略多重散射，只模拟瑞利散射（Rayleigh Scattering）和米氏散射（Mie Scattering）的一次散射，大幅简化计算。
   • 体积雾/光替代方案：
     • 分层雾（Layered Fog）： 使用多个叠加的简单雾层（可以是不同颜色、密度和高度），通过在顶点或像素着色器中计算距离来混合它们。可以模拟出地面薄雾、高空云雾等效果，比单一指数雾更具层次感，但开销仍然很低。
     • 屏幕空间雾/光束（Screen Space God Rays/Volumetric Lights）： 对于体积光束，可以考虑使用屏幕空间光线投射（Screen Space Raymarching）或深度图后处理的方式。例如，根据深度图和光源位置，在屏幕空间模拟光束，这种方案对GPU填充率敏感，可以通过降低采样率或分辨率来优化。对于移动平台，通常会使用更简单的径向模糊（Radial Blur）或模糊遮罩叠加来模拟光束效果，而非真正的体积光线追踪。
     • 烘焙体积光照/雾： 对于非动态的雾气或光束，直接在场景中烘焙体积数据（例如使用体积光照贴图或体积纹理），运行时采样。虽然不能实时变化，但可以提供高质量的静态效果，且运行时开销为零。

总结建议

1. 最大化静态烘焙： 能烘焙的就烘焙，包括光照贴图、探头反射、环境光遮蔽（AO）。
2. 严格控制动态光源和阴影： 数量、范围、分辨率都需精打细算，并根据距离和重要性进行LOD。
3. 分级画质设定： 根据设备性能或用户选择，动态调整光照和天空系统的复杂度。
4. 采用轻量级天空系统： 纹理混合天空盒、程序化天空或基于LUT的天空是首选。
5. 谨慎使用体积效果： 移动端体积雾/光开销大，优先考虑指数雾、分层雾或屏幕空间后处理（如径向模糊模拟光束）。

希望这些经验能帮助你找到适合自己项目的平衡点！移动端优化确实是门艺术，需要不断尝试和权衡。