【光照】[漫反射diffuse]以UnityURP为例

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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[0,1]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

$Cdiffuse=(Clight*Mdiffuse)max(0,n·I）$

1. fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));

复制代码

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
  1. hlsl
  2. // 简化版Lambert漫反射实现
  3. half3 DiffuseLighting(Light light, half3 normalWS, half3 albedo)
  4. {
  5.     half NdotL = saturate(dot(normalize(normalWS), light.direction));
  6.     return light.color * albedo * NdotL;
  7. }
  9. // 完整光照计算入口
  10. half3 UniversalFragmentBlinnPhong(InputData inputData, SurfaceData surfaceData)
  11. {
  12.     // 初始化光照结果
  13.     half3 color = surfaceData.emission;
  14.    
  15.     // 主光源漫反射计算
  16.     Light mainLight = GetMainLight();
  17.     color += DiffuseLighting(mainLight, inputData.normalWS, surfaceData.albedo);
  18.    
  19.     // 附加光源计算
  20.     uint pixelLightCount = GetAdditionalLightsCount();
  21.     for (uint lightIndex = 0; lightIndex < pixelLightCount; ++lightIndex)
  22.     {
  23.         Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, inputData.positionWS);
  24.         color += DiffuseLighting(light, inputData.normalWS, surfaceData.albedo);
  25.     }
  26.    
  27.     return color;
  28. }

  复制代码

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‌：

1. hlsl
2. // 片元着色器示例
3. half4 frag(Varyings input) : SV_Target
4. {
5.     // 初始化表面数据
6.     SurfaceData surfaceData;
7.     InitializeStandardLitSurfaceData(input.uv, surfaceData);
9.     // 准备光照输入数据
10.     InputData inputData;
11.     InitializeStandardLitInputData(input, surfaceData.normalTS, inputData);
13.     // 计算漫反射光照
14.     half4 color = UniversalFragmentBlinnPhong(inputData, surfaceData);
16.     return color;
17. }

复制代码

‌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。

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