【光照】[漫反射diffuse]以UnityURP为例
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达漫反射基本流程
漫反射遵循兰伯特定律(Lambert's Cosine Law)，其核心流程如下：
[*]法线准备：获取表面法线向量(通常来自顶点法线或法线贴图)
[*]光源方向计算：确定光源到表面点的单位方向向量
[*]点积运算：计算法线向量与光源方向的点积(N·L)
[*]能量约束：使用saturate函数将结果限制在范围
[*]颜色混合：将结果与光源颜色和表面反照率(albedo)相乘
数学表达式：
$漫反射 = 光源颜色 × 表面反照率 × max(0, N·L)$
漫反射基本原理
漫反射遵循兰伯特定律(Lambert's Law)，描述光线在粗糙表面均匀散射的现象。其核心特点是：
[*]光线入射角度影响反射强度
[*]表面法线方向决定反射分布
[*]与观察角度无关的各向同性反射
兰伯特定律 Lambert’s law
$Cdiffuse=(Clight*Mdiffuse)max(0,n·I）$
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));半兰伯特
$Cdiffuse=(Clight*Mdiffuse)(a(n·I)+b)$
绝大多数a和b都为0.5
$Cdiffuse=(Clight*Mdiffuse)(0.5(n·I)+0.5)$
Unity URP中的实现细节
核心实现位置
URP中的漫反射计算主要分布在以下文件：
[*]Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl
实现原理
[*]法线处理：
[*]世界空间法线转换
[*]法线贴图支持
[*]双面渲染处理
[*]光源计算：
[*]主光源方向计算
[*]附加光源循环处理
[*]点光源/聚光灯方向计算
[*]漫反射核心：
[*]使用half精度优化
[*]能量守恒处理
[*]多光源叠加支持
关键代码实现
[*]UnityURP_漫反射实现
hlsl
// 简化版Lambert漫反射实现
half3 DiffuseLighting(Light light, half3 normalWS, half3 albedo)
{
half NdotL = saturate(dot(normalize(normalWS), light.direction));
return light.color * albedo * NdotL;
}
// 完整光照计算入口
half3 UniversalFragmentBlinnPhong(InputData inputData, SurfaceData surfaceData)
{
// 初始化光照结果
half3 color = surfaceData.emission;
// 主光源漫反射计算
Light mainLight = GetMainLight();
color += DiffuseLighting(mainLight, inputData.normalWS, surfaceData.albedo);
// 附加光源计算
uint pixelLightCount = GetAdditionalLightsCount();
for (uint lightIndex = 0; lightIndex < pixelLightCount; ++lightIndex)
{
Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, inputData.positionWS);
color += DiffuseLighting(light, inputData.normalWS, surfaceData.albedo);
}
return color;
}
快速调用方法
在URP着色器中调用漫反射的标准方式：
自定义着色器方式：
hlsl
// 片元着色器示例
half4 frag(Varyings input) : SV_Target
{
// 初始化表面数据
SurfaceData surfaceData;
InitializeStandardLitSurfaceData(input.uv, surfaceData);
// 准备光照输入数据
InputData inputData;
InitializeStandardLitInputData(input, surfaceData.normalTS, inputData);
// 计算漫反射光照
half4 color = UniversalFragmentBlinnPhong(inputData, surfaceData);
return color;
}Shader Graph可视化方式：
[*]使用"Dot Product"节点计算N·L
[*]使用"Multiply"节点混合颜色
[*]连接至"Fragment"输出的Base Color通道
URP选择此方案的原因
性能优化：
[*]使用half精度计算
[*]内置光照循环优化
[*]最小化分支预测
物理一致性：
[*]线性空间计算
[*]正确的光照衰减（通过颜色与距离和阴影衰减相乘做到）
扩展性：
[*]支持多光源场景
[*]与PBR工作流兼容
[*]可扩展自定义光照模型
跨平台支持：
[*]适配移动端TBDR架构
[*]支持SRP Batcher优化
[*]兼容各种渲染路径
在URP中，这种实现方式既保持了经典光照模型的直观性，又通过现代渲染管线的优化手段确保了高性能表现，特别适合需要跨平台部署的项目。
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
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