【光照】[漫反射]UnityURP兰伯特有光照衰减吗？
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达光照衰减的基本原理
在物理正确的光照模型中，衰减需要遵循两个基本定律：
[*]平方反比定律：光强与距离平方成反比 (I ∝ 1/r²)
[*]余弦定律：表面接收的光强与入射角余弦成正比 (I ∝ cosθ)
经典兰伯特模型的衰减处理
标准兰伯特公式
$漫反射 = 表面颜色 * 表面反照率 * max(0, N·L)$
衰减实现分析
[*]角度衰减：
[*]✅ 正确实现余弦定律
[*]通过 N·L 点积计算入射角衰减
[*]符合物理规律：光线入射角越大，光照强度越小
[*]距离衰减：
[*]⚠️ 完全缺失距离衰减计算
[*]公式中没有包含光源距离(r)相关项
[*]光强不会随距离增加而减弱
[*]导致物理不准确性
Unity URP中的实现方案
距离衰减补偿机制
URP通过额外计算衰减因子来弥补兰伯特的不足：
hlsl
// URP光源获取函数 (Lighting.hlsl)
Light GetMainLight()
{
Light light;
light.direction = _MainLightPosition.xyz;
// 距离衰减计算
float distance = length(_WorldSpaceCameraPos - positionWS);
light.distanceAttenuation = 1.0 / max(distance * distance, 0.01);
light.color = _MainLightColor.rgb;
return light;
}
// 主光源 漫反射计算
lightingData.mainLightColor += CalculateBlinnPhong(mainLight, inputData, surfaceData);
half3 CalculateBlinnPhong(Light light, InputData inputData, SurfaceData surfaceData)
{
// 这里通过颜色计算了光线衰减
half3 attenuatedLightColor = light.color * (light.distanceAttenuation * light.shadowAttenuation);
half3 lightDiffuseColor = LightingLambert(attenuatedLightColor, light.direction, inputData.normalWS);
half3 lightSpecularColor = half3(0,0,0);
#if defined(_SPECGLOSSMAP) || defined(_SPECULAR_COLOR)
half smoothness = exp2(10 * surfaceData.smoothness + 1);
lightSpecularColor += LightingSpecular(attenuatedLightColor, light.direction, inputData.normalWS, inputData.viewDirectionWS, half4(surfaceData.specular, 1), smoothness);
#endif
#if _ALPHAPREMULTIPLY_ON
return lightDiffuseColor * surfaceData.albedo * surfaceData.alpha + lightSpecularColor;
#else
return lightDiffuseColor * surfaceData.albedo + lightSpecularColor;
#endif
}URP衰减系统组成
光源类型处理：
[*]平行光：无距离衰减 (1.0)
[*]点光源：平方反比衰减 (1/r²)
[*]聚光灯：角度衰减 × 距离衰减
优化策略：
[*]使用预计算的衰减纹理
[*]最大距离截断(light.range)
[*]平滑过渡边缘处理
graph TD A[光源类型] --> B{平行光？} B -->|是| C[衰减=1.0] B -->|否| D{点光源？} D -->|是| E D -->|否| F[聚光灯衰减曲线] E --> G[距离截断] F --> G G --> H[平滑过渡]为什么经典兰伯特缺乏距离衰减
[*]历史设计局限：
[*]早期计算机图形学简化模型
[*]源自环境固定的CAD渲染需求
[*]仅考虑局部表面光照
[*]数学简化考量：
[*]减少每像素计算量
[*]避免昂贵的距离计算
[*]保持公式简洁性
[*]艺术导向设计：
[*]允许美术师手动控制光照范围
[*]避免距离导致的过度变暗
[*]更适合风格化渲染
URP的实用解决方案
衰减校正技术
[*]物理混合方案：
hlsl
half3 ApplyAttenuation(Light light, float3 positionWS)
{
// 基础平方反比衰减
float dist = distance(light.position, positionWS);
float atten = 1.0 / (dist * dist);
// 范围平滑过渡
float fade = saturate(1.0 - (dist / light.range));
atten *= fade * fade;
// 聚光灯角度衰减
if(light.type == SPOT)
{
float3 toLight = normalize(light.position - positionWS);
float spotFactor = dot(toLight, light.direction);
atten *= smoothstep(light.outerAngle, light.innerAngle, spotFactor);
}
return saturate(atten * light.intensity);
}
[*]移动端优化版：
hlsl
half3 SimpleAttenuation(Light light, float3 positionWS)
{
// 使用预计算的衰减纹理
float dist = distance(light.position, positionWS);
float t = saturate(dist / light.range);
half atten = SAMPLE_TEXTURE2D(_LightAttenuationTex, sampler_LinearClamp, float2(t, 0.5)).r;
return atten * light.intensity;
}
Unity编辑器中配置
csharp
// 光源组件属性设置
Light light = gameObject.AddComponent<Light>();
light.type = LightType.Point;
light.range = 10.0f;// 控制衰减范围
light.intensity = 1.0f;// 控制最大强度
light.color = Color.white;结论与建议
核心结论
[*]经典兰伯特模型自身不包含距离衰减，仅有角度衰减
[*]URP通过外部衰减系统提供完整衰减支持，使经验模型实用化
[*]现代实现已接近物理正确，但仍有可控的艺术化调整空间
开发实践建议
[*]性能敏感场景：
hls
// 使用简化距离衰减
float atten = saturate(1.0 - distance/range);
[*]高品质渲染：
hlsl
// 物理精确衰减
float atten = 1.0 / (distance * distance + 1e-5);
[*]风格化渲染：
hlsl
// 自定义衰减曲线
float atten = exp(-_Falloff * distance);
在URP中，虽然经典兰伯特模型本身不具备完整的物理衰减特性，但通过引擎层的光照系统补偿，开发者可以轻松实现物理正确的衰减效果，同时保留艺术控制自由度。这种分层设计正是现代渲染管线的实用智慧体现。
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
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