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【光照】Unity中的[经验模型]

web 2025/9/4 16:17:22

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

图形学第一定律：“看起来对就对”

URP光照模型发展史

‌2018年‌：URP首次发布（原LWRP），继承传统前向渲染的Blinn-Phong简化版
‌2019年‌：URP 7.x引入Basic Shader的简化光照模型
‌2020年‌：URP 10.x整合PBR核心（GGX+Smith）
‌2022年‌：URP 14.x新增Screen Space Global Illumination (SSGI)

核心原理架构

URP的经验光照模型基于‌能量守恒近似‌和‌艺术家友好设计‌原则，通过数学简化实现实时渲染效率。其核心公式体系包含：

‌光能分布模型‌：

$Lo=Ld+Ls+La$

$L_d=k_d*(N\cdot L)*I$

$L_s=k_s*(N\cdot H)^n*I$

$L_a=k_a*I_a$

$L_d$ ：兰伯特漫反射（Lambert）
$L_s$ ：Blinn-Phong镜面反射
$L_a$ ：环境光分量

‌微表面近似‌：

URP的SimpleLit使用改进的Blinn-Phong模型：

hlsl
float spec = pow(max(0, dot(N, H)), _Glossiness * 256);
float3 specular = _SpecColor * lightColor * spec;

实现Blinn-Phong风格的光照模型

使用URP标准库Lighting.hlsl实现光照计算
包含完整的顶点-片段着色器结构
实现Blinn-Phong风格的光照模型
支持主方向光的漫反射+镜面反射计算

SimpleLit.shader

Shader "Custom/SimpleLit"
{Properties{_BaseColor("Color", Color) = (1,1,1,1)_SpecColor("Specular", Color) = (0.5,0.5,0.5)_Gloss("Glossiness", Range(0,1)) = 0.5}SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }HLSLINCLUDE#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"CBUFFER_START(UnityPerMaterial)float4 _BaseColor;float4 _SpecColor;float _Gloss;CBUFFER_ENDstruct Attributes{float4 positionOS : POSITION;float3 normalOS : NORMAL;};struct Varyings{float4 positionCS : SV_POSITION;float3 normalWS : TEXCOORD0;float3 viewDirWS : TEXCOORD1;};ENDHLSLPass{HLSLPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment fragVaryings vert(Attributes IN){Varyings OUT;OUT.positionCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);OUT.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(IN.normalOS);OUT.viewDirWS = GetWorldSpaceViewDir(TransformObjectToWorld(IN.positionOS.xyz));return OUT;}half4 frag(Varyings IN) : SV_Target{// 标准化向量float3 N = normalize(IN.normalWS);float3 V = normalize(IN.viewDirWS);// 获取主光源Light mainLight = GetMainLight();float3 L = mainLight.direction;float3 H = normalize(L + V);// 漫反射计算float NdotL = max(0, dot(N, L));float3 diffuse = _BaseColor.rgb * mainLight.color * NdotL;// 镜面反射计算float NdotH = max(0, dot(N, H));float spec = pow(NdotH, _Gloss * 256);float3 specular = _SpecColor.rgb * mainLight.color * spec;// 组合输出return half4(diffuse + specular, 1);}ENDHLSL}}
}

实际应用步骤

‌创建材质‌：

在Project窗口右键 → Create → Material
Shader选择"Example/SimpleLit"

‌光源配置‌：

csharp
// C#控制光源示例using UnityEngine.Rendering.Universal;public class LightController : MonoBehaviour {public Light2D urpLight;void Update() {urpLight.intensity = Mathf.PingPong(Time.time, 1.5f);}
}

‌高级配置参数‌：

csharp
// URP Asset配置路径
Edit → Project Settings → Graphics → Scriptable Render Pipeline Settings

关键参数：

Main Light Shadows
Additional Lights Count
Reflection Probes

性能优化建议

移动平台使用SimpleLit代替Lit
控制Additional Lights数量（建议≤4）
使用Light Layers分层渲染
静态物体启用Baked Global Illumination

最新版URP（2023.2）已支持光线追踪扩展包，可通过Package Manager添加Ray Tracing模块实现混合渲染管线。

核心光照模型实现类

类名	功能
`UniversalForwardRenderer`	主渲染管线入口
`Lighting.hlsl`	包含所有光照计算函数
`BRDF.hlsl`	实现PBR核心算法
`MainLight.hlsl`	主方向光处理
`AdditionalLights.hlsl`	附加点光源/聚光灯

URP内置光照模型类型

URP实现架构

关键HLSL实现

URP光照计算核心代码路径：

Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/
├── Lighting.hlsl         # 光照入口
├── MainLight.hlsl        # 主方向光处理
├── AdditionalLights.hlsl # 附加光源
└── BRDF.hlsl            # PBR基础函数

URP中快速调用标准光照模型实现

‌脚本位置‌

URP内置的SimpleLit.shader和Lit.shader（位于Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/）
关键变量：_SpecularIntensity（控制高光强度）和_Smoothness（控制反射模糊度）

‌核心计算逻辑‌

‌Lambert漫反射‌：通过dot(worldNormal, worldLightDir)计算基础光照

‌Phong/Blinn-Phong镜面反射‌：其中halfDir为半角向量（normalize(lightDir + viewDir)）

hlsl
// Phong模型
float3 specular = pow(max(0, dot(reflectDir, viewDir)), _SpecularIntensity);
// Blinn-Phong模型
float3 specular = pow(max(0, dot(normal, halfDir)), _SpecularIntensity);

‌Lighting.hlsl直接调用以上计算公式-调用入口‌

在Shader的SurfaceInput.hlsl中定义光照输入结构体InputData
通过UniversalFragmentBlinnPhong函数处理光照,这些都定义在Lighting.hlsl中。
在Lighting.hlsl中有以下经验光照的函数可直接调用
- LightingLambert
- LightingSpecular
- CalculateBlinnPhong
- UniversalFragmentBlinnPhong