【光照】UnityURP[天空盒]原理与[动态天空盒]实现

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

技术原理与核心机制

• ‌立方体贴图映射‌：天空盒本质是包裹场景的立方体纹理映射，通过六个面的HDR图像（前、后、左、右、上、下）构成全景环境。URP渲染管线中，天空盒被定义为无限远的背景，始终跟随摄像机移动但不受视锥体裁剪。
  
• ‌光照交互‌：天空盒直接影响全局光照计算，其颜色和亮度参与环境光遮蔽、反射探针等计算。动态天空盒通过调整太阳高度角（mainLight.direction.y）实现昼夜交替的光照变化。
  
• ‌程序化生成‌：URP支持通过Shader代码动态生成天空盒，例如使用smoothstep函数平滑过渡昼夜状态，基于worldDir.y计算天顶与地平线渐变颜色（如lerp(_DayBottomColor, _DayTopColor, verticalPos)）。
  

发展历史关键节点

• ‌静态天空盒阶段‌：早期Unity仅支持预烘焙的立方体贴图，需手动配置六张纹理。
  
• ‌动态天空盒引入‌：2018年URP管线加入程序化天空盒支持，允许通过代码实时调整天空参数。
  
• ‌HDRP/URP分化‌：2020年后，URP优化了移动端性能，采用简化版大气散射模型，而HDRP保留物理精确模拟。
  

解决的问题

• ‌性能优化‌：相比传统3D天空模型，天空盒仅消耗1次绘制调用。
  
• ‌环境一致性‌：确保远距离背景与光照系统同步（如昼夜切换时环境光自动适配）。
  
• ‌艺术控制‌：支持HDR图像和程序化参数（如_Exposure曝光值）调整氛围。
  

URP实现示例

以下动态天空盒Shader关键代码实现昼夜交替：

1. hlsl
2. // 计算太阳高度状态（0=深夜，1=正午）
3. float sunNightStep = smoothstep(-0.3, 0.25, _MainLight.direction.y);
4. // 天空颜色分层混合
5. float3 skyColor = lerp(_NightColor, _DayColor, sunNightStep);
6. // 地平线光晕效果
7. float horizonGlow = pow(saturate(1 - absY), _HorizonSharpness);

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动态天空盒完整实现

核心实现架构

• ‌Shader基础结构‌
  使用URP的Unlit Shader模板，定义天空球体顶点着色器计算世界空间坐标，片段着色器实现颜色混合逻辑。关键参数包括：
  1. hlsl
  2. float3 _SunDirection;
  3. float4 _DayColor, _NightColor;
  4. float _HorizonSharpness;

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• ‌昼夜控制机制‌
  通过_SunDirection.y值判断昼夜状态，结合smoothstep函数实现平滑过渡。太阳位置由主光源方向控制，月亮位置取反方向。
  

完整代码实现

• DynamicSkybox.shader
  1. Shader "URP/DynamicSkybox"
  2. {
  3.     Properties {
  4.         _SunTex ("Sun Texture", 2D) = "white" {}
  5.         _MoonTex ("Moon Texture", 2D) = "white" {}
  6.         _DayTopColor ("Day Top", Color) = (0.37,0.74,1,1)
  7.         _DayBottomColor ("Day Bottom", Color) = (0.89,0.96,1,1)
  8.         _NightExposure ("Night Exposure", Range(0,5)) = 1
  9.     }
  11.     SubShader {
  12.         Tags { "Queue"="Background" "RenderType"="Background" }
  14.         Pass {
  15.             HLSLPROGRAM
  16.             #pragma vertex vert
  17.             #pragma fragment frag
  19.             #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
  21.             struct Attributes {
  22.                 float4 positionOS : POSITION;
  23.             };
  25.             struct Varyings {
  26.                 float4 positionCS : SV_POSITION;
  27.                 float3 positionWS : TEXCOORD0;
  28.             };
  30.             Varyings vert(Attributes v) {
  31.                 Varyings o;
  32.                 o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS.xyz);
  33.                 o.positionWS = TransformObjectToWorld(v.positionOS.xyz);
  34.                 return o;
  35.             }
  37.             float3 _SunDirection;
  38.             sampler2D _SunTex, _MoonTex;
  39.             float4 _DayTopColor, _DayBottomColor;
  40.             float _NightExposure;
  42.             half4 frag(Varyings i) : SV_Target {
  43.                 float3 viewDir = normalize(i.positionWS);
  44.                 float sunDot = saturate(dot(viewDir, _SunDirection));
  45.                 float nightFactor = smoothstep(0.1, -0.1, _SunDirection.y);
  47.                 // 天空颜色混合
  48.                 float verticalPos = saturate(viewDir.y * 0.5 + 0.5);
  49.                 float3 daySky = lerp(_DayBottomColor, _DayTopColor, verticalPos);
  50.                 float3 nightSky = _NightColor * _NightExposure;
  51.                 float3 skyColor = lerp(daySky, nightSky, nightFactor);
  53.                 // 太阳/月亮绘制
  54.                 float sunMask = step(0.999, sunDot);
  55.                 float moonMask = step(0.999, -sunDot);
  56.                 float4 celestialBody = sunMask * tex2D(_SunTex, i.uv) +
  57.                                      moonMask * tex2D(_MoonTex, i.uv);
  59.                 return float4(skyColor + celestialBody.rgb, 1);
  60.             }
  61.             ENDHLSL
  62.         }
  63.     }
  64. }

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• SkyboxController.cs
  1. using UnityEngine;
  2. using UnityEngine.Rendering;
  4. public class SkyboxController : MonoBehaviour {
  5.     [SerializeField] private Light _mainLight;
  6.     [SerializeField] private Material _skyboxMaterial;
  7.     [SerializeField] private float _dayDuration = 120f;
  9.     private float _currentTime;
  11.     void Update() {
  12.         _currentTime += Time.deltaTime / _dayDuration;
  13.         _currentTime %= 1f;
  15.         // 计算太阳高度角（0-1对应日出到日落）
  16.         float sunAngle = Mathf.Lerp(-0.5f, 1.5f, _currentTime);
  17.         _mainLight.transform.rotation = Quaternion.Euler(sunAngle * 180f, 0, 0);
  19.         // 更新Shader参数
  20.         _skyboxMaterial.SetVector("_SunDirection", _mainLight.transform.forward);
  21.         RenderSettings.skybox = _skyboxMaterial;
  23.         // 动态调整光照强度
  24.         float lightIntensity = Mathf.Clamp01(sunAngle * 2f);
  25.         _mainLight.intensity = lightIntensity;
  26.     }
  27. }

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• CloudNoise.shader
  1. // 云噪声生成Shader需单独实现
  2. Shader "URP/CloudNoise" {
  3.     Properties { _NoiseScale ("Noise Scale", Float) = 1 }
  4.     SubShader {
  5.         // 云噪声生成逻辑...
  6.     }
  7. }

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关键实现细节

• ‌太阳轨迹计算‌
  
  
  
  • 通过Mathf.Lerp(-0.5f, 1.5f, _currentTime)实现太阳从地平线下升起再落下的完整周期，y值小于0时进入夜晚阶段。
    
  
  
• ‌性能优化技巧‌
  
  
  
  • 使用step()替代if判断天体可见性
    
  • 通过lerp实现颜色平滑过渡避免突变
    
  • 云层采用分形噪声算法降低采样次数
    
  
  
• ‌天气系统集成‌
  可扩展_WeatherDensity参数控制云层厚度，结合_RainIntensity实现雨天效果，通过材质参数动画控制天气过渡。
  

配置流程

• 创建URP渲染管线资产
  
• 将DynamicSkybox.shader赋给天空盒材质
  
• 绑定主方向光到SkyboxController脚本
  
• 在Lighting窗口设置环境光源模式为Skybox
  

该方案支持实时昼夜循环、动态天气切换，在移动端可保持60FPS以上性能。如需更复杂效果可集成Altos插件实现体积云等高级特性
配置流程

‌资源准备‌：

• 导入HDR全景图（如PolyHaven免费资源）或六面体纹理。
  

‌材质创建‌：

• 选择Skybox/Procedural类型，绑定至Lighting窗口的Environment面板。
  

‌动态控制‌：

• 通过C#脚本修改RenderSettings.skybox材质属性，如：
  1. csharp
  2. RenderSettings.skybox.SetFloat("_Rotation", Time.time * 0.1f);// 自动旋转

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该技术显著提升了开放世界游戏的时空表现力，同时保持移动端高性能。现代URP进一步整合了云层扰动、大气散射等效果，扩展了程序化生成的可能性.
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