【光照】Unity中的[经验模型]
【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：
$L_o = L_d + L_s + L_a$
$L_d = k_d * (N·L) * I$
$L_s = k_s * (N·H)^n * I$
$L_a = k_a * I_a$
[*]$L_d$：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_END
struct Attributes
{
float4 positionOS : POSITION;
float3 normalOS : NORMAL;
};
struct Varyings
{
float4 positionCS : SV_POSITION;
float3 normalWS : TEXCOORD0;
float3 viewDirWS : TEXCOORD1;
};
ENDHLSL
Pass
{
HLSLPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
Varyings 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
graph TB A --> B A --> C A --> D B --> E C --> FURP实现架构
graph LR A --> B B --> C C --> D C --> E D --> F E --> G[逐光源叠加]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
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
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