【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：

1. hlsl
2. float spec = pow(max(0, dot(N, H)), _Glossiness * 256);
3. float3 specular = _SpecColor * lightColor * spec;

复制代码

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
  1. Shader "Custom/SimpleLit"
  2. {
  3.     Properties
  4.     {
  5.         _BaseColor("Color", Color) = (1,1,1,1)
  6.         _SpecColor("Specular", Color) = (0.5,0.5,0.5)
  7.         _Gloss("Glossiness", Range(0,1)) = 0.5
  8.     }
  10.     SubShader
  11.     {
  12.         Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }
  14.         HLSLINCLUDE
  15.         #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
  17.         CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
  18.         float4 _BaseColor;
  19.         float4 _SpecColor;
  20.         float _Gloss;
  21.         CBUFFER_END
  23.         struct Attributes
  24.         {
  25.             float4 positionOS : POSITION;
  26.             float3 normalOS : NORMAL;
  27.         };
  29.         struct Varyings
  30.         {
  31.             float4 positionCS : SV_POSITION;
  32.             float3 normalWS : TEXCOORD0;
  33.             float3 viewDirWS : TEXCOORD1;
  34.         };
  35.         ENDHLSL
  37.         Pass
  38.         {
  39.             HLSLPROGRAM
  40.             #pragma vertex vert
  41.             #pragma fragment frag
  43.             Varyings vert(Attributes IN)
  44.             {
  45.                 Varyings OUT;
  46.                 OUT.positionCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);
  47.                 OUT.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(IN.normalOS);
  48.                 OUT.viewDirWS = GetWorldSpaceViewDir(TransformObjectToWorld(IN.positionOS.xyz));
  49.                 return OUT;
  50.             }
  52.             half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
  53.             {
  54.                 // 标准化向量
  55.                 float3 N = normalize(IN.normalWS);
  56.                 float3 V = normalize(IN.viewDirWS);
  57.                
  58.                 // 获取主光源
  59.                 Light mainLight = GetMainLight();
  60.                 float3 L = mainLight.direction;
  61.                 float3 H = normalize(L + V);
  62.                
  63.                 // 漫反射计算
  64.                 float NdotL = max(0, dot(N, L));
  65.                 float3 diffuse = _BaseColor.rgb * mainLight.color * NdotL;
  66.                
  67.                 // 镜面反射计算
  68.                 float NdotH = max(0, dot(N, H));
  69.                 float spec = pow(NdotH, _Gloss * 256);
  70.                 float3 specular = _SpecColor.rgb * mainLight.color * spec;
  71.                
  72.                 // 组合输出
  73.                 return half4(diffuse + specular, 1);
  74.             }
  75.             ENDHLSL
  76.         }
  77.     }
  78. }

  复制代码

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‌：

1. csharp
2. // C#控制光源示例using UnityEngine.Rendering.Universal;
4. public class LightController : MonoBehaviour {
5.     public Light2D urpLight;
6.     void Update() {
7.         urpLight.intensity = Mathf.PingPong(Time.time, 1.5f);
8.     }
9. }

复制代码

‌高级配置参数‌：

1. csharp
2. // URP Asset配置路径
3. Edit → Project Settings → Graphics → Scriptable Render Pipeline Settings

复制代码

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[URP Shader] --> B[SimpleLit]    A --> C[Lit PBR]    A --> D[Unlit]    B --> E[Blinn-Phong变体]    C --> F[GGX+Smith]URP实现架构

graph LR    A[URP Asset] --> B[ForwardRenderer]    B --> C[Lighting Pass]    C --> D[MainLight.hlsl]    C --> E[AdditionalLights.hlsl]    D --> F[Blinn-Phong计算]    E --> G[逐光源叠加]关键HLSL实现

URP光照计算核心代码路径：

1. Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/
2. ├── Lighting.hlsl         # 光照入口
3. ├── MainLight.hlsl        # 主方向光处理
4. ├── AdditionalLights.hlsl # 附加光源
5. └── BRDF.hlsl            # PBR基础函数

复制代码

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)）
  1. hlsl
  2. // Phong模型
  3. float3 specular = pow(max(0, dot(reflectDir, viewDir)), _SpecularIntensity);
  4. // Blinn-Phong模型
  5. float3 specular = pow(max(0, dot(normal, halfDir)), _SpecularIntensity);

  复制代码

‌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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