【光照】[漫反射]UnityURP兰伯特有光照衰减吗？

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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：

1. hlsl
2. // URP光源获取函数 (Lighting.hlsl)
3. Light GetMainLight()
4. {
5.     Light light;
6.     light.direction = _MainLightPosition.xyz;
8.     // 距离衰减计算
9.     float distance = length(_WorldSpaceCameraPos - positionWS);
10.     light.distanceAttenuation = 1.0 / max(distance * distance, 0.01);
12.     light.color = _MainLightColor.rgb;
13.     return light;
14. }
16. // 主光源 漫反射计算
17. lightingData.mainLightColor += CalculateBlinnPhong(mainLight, inputData, surfaceData);
19. half3 CalculateBlinnPhong(Light light, InputData inputData, SurfaceData surfaceData)
20. {
21. // 这里通过颜色计算了光线衰减
22.     half3 attenuatedLightColor = light.color * (light.distanceAttenuation * light.shadowAttenuation);
23.     half3 lightDiffuseColor = LightingLambert(attenuatedLightColor, light.direction, inputData.normalWS);
25.     half3 lightSpecularColor = half3(0,0,0);
26.     #if defined(_SPECGLOSSMAP) || defined(_SPECULAR_COLOR)
27.     half smoothness = exp2(10 * surfaceData.smoothness + 1);
29.     lightSpecularColor += LightingSpecular(attenuatedLightColor, light.direction, inputData.normalWS, inputData.viewDirectionWS, half4(surfaceData.specular, 1), smoothness);
30.     #endif
32. #if _ALPHAPREMULTIPLY_ON
33.     return lightDiffuseColor * surfaceData.albedo * surfaceData.alpha + lightSpecularColor;
34. #else
35.     return lightDiffuseColor * surfaceData.albedo + lightSpecularColor;
36. #endif
37. }

复制代码

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[1/r²计算]    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‌：
  1. hlsl
  2. half3 ApplyAttenuation(Light light, float3 positionWS)
  3. {
  4.     // 基础平方反比衰减
  5.     float dist = distance(light.position, positionWS);
  6.     float atten = 1.0 / (dist * dist);
  8.     // 范围平滑过渡
  9.     float fade = saturate(1.0 - (dist / light.range));
  10.     atten *= fade * fade;
  12.     // 聚光灯角度衰减
  13.     if(light.type == SPOT)
  14.     {
  15.         float3 toLight = normalize(light.position - positionWS);
  16.         float spotFactor = dot(toLight, light.direction);
  17.         atten *= smoothstep(light.outerAngle, light.innerAngle, spotFactor);
  18.     }
  20.     return saturate(atten * light.intensity);
  21. }

  复制代码
• ‌移动端优化版‌：
  1. hlsl
  2. half3 SimpleAttenuation(Light light, float3 positionWS)
  3. {
  4.     // 使用预计算的衰减纹理
  5.     float dist = distance(light.position, positionWS);
  6.     float t = saturate(dist / light.range);
  7.     half atten = SAMPLE_TEXTURE2D(_LightAttenuationTex, sampler_LinearClamp, float2(t, 0.5)).r;
  8.     return atten * light.intensity;
  9. }

  复制代码

Unity编辑器中配置

1. csharp
2. // 光源组件属性设置
3. Light light = gameObject.AddComponent<Light>();
4. light.type = LightType.Point;
5. light.range = 10.0f;// 控制衰减范围
6. light.intensity = 1.0f;// 控制最大强度
7. light.color = Color.white;

复制代码

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‌：
  1. hls
  2. // 使用简化距离衰减
  3. float atten = saturate(1.0 - distance/range);

  复制代码
• ‌高品质渲染‌：
  1. hlsl
  2. // 物理精确衰减
  3. float atten = 1.0 / (distance * distance + 1e-5);

  复制代码
• ‌风格化渲染‌：
  1. hlsl
  2. // 自定义衰减曲线
  3. float atten = exp(-_Falloff * distance);

  复制代码

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。

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