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【光照】Unity中的[經驗模型] - Stories Detail

09:34 AM · Nov 07 ,2025

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

圖形學第一定律：“看起來對就對”

URP光照模型發展史

‌2018年‌：URP首次發佈（原LWRP），繼承傳統前向渲染的Blinn-Phong簡化版
‌2019年‌：URP 7.x引入Basic Shader的簡化光照模型
‌2020年‌：URP 10.x整合PBR核心（GGX+Smith）
‌2022年‌：URP 14.x新增Screen Space Global Illumination (SSGI)

核心原理架構

URP的經驗光照模型基於‌能量守恆近似‌和‌藝術家友好設計‌原則，通過數學簡化實現實時渲染效率。其核心公式體系包含：

‌光能分佈模型‌：

$L_o = L_d + L_s + L_a$

$L_d = k_d * (N·L) * I$

$L_s = k_s * (N·H)^n * I$

$L_a = k_a * I_a$

$L_d$：蘭伯特漫反射（Lambert）
$L_s$：Blinn-Phong鏡面反射
$L_a$：環境光分量

‌微表面近似‌：

URP的SimpleLit使用改進的Blinn-Phong模型：

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

實現Blinn-Phong風格的光照模型

使用URP標準庫Lighting.hlsl實現光照計算
包含完整的頂點-片段着色器結構
實現Blinn-Phong風格的光照模型
支持主方向光的漫反射+鏡面反射計算

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
            {
                // 標準化向量
                float3 N = normalize(IN.normalWS);
                float3 V = normalize(IN.viewDirWS);
                
                // 獲取主光源
                Light mainLight = GetMainLight();
                float3 L = mainLight.direction;
                float3 H = normalize(L + V);
                
                // 漫反射計算
                float NdotL = max(0, dot(N, L));
                float3 diffuse = _BaseColor.rgb * mainLight.color * NdotL;
                
                // 鏡面反射計算
                float NdotH = max(0, dot(N, H));
                float spec = pow(NdotH, _Gloss * 256);
                float3 specular = _SpecColor.rgb * mainLight.color * spec;
                
                // 組合輸出
                return half4(diffuse + specular, 1);
            }
            ENDHLSL
        }
    }
}

實際應用步驟

‌創建材質‌：

在Project窗口右鍵 → Create → Material
Shader選擇"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);
    }
}

‌高級配置參數‌：

csharp
// URP Asset配置路徑
Edit → Project Settings → Graphics → Scriptable Render Pipeline Settings

關鍵參數：

Main Light Shadows
Additional Lights Count
Reflection Probes

性能優化建議

移動平台使用SimpleLit代替Lit
控制Additional Lights數量（建議≤4）
使用Light Layers分層渲染
靜態物體啓用Baked Global Illumination

最新版URP（2023.2）已支持光線追蹤擴展包，可通過Package Manager添加Ray Tracing模塊實現混合渲染管線。

核心光照模型實現類

類名	功能
`UniversalForwardRenderer`	主渲染管線入口
`Lighting.hlsl`	包含所有光照計算函數
`BRDF.hlsl`	實現PBR核心算法
`MainLight.hlsl`	主方向光處理
`AdditionalLights.hlsl`	附加點光源/聚光燈

URP內置光照模型類型

graph TB A[URP Shader] --> B[SimpleLit] A --> C[Lit PBR] A --> D[Unlit] B --> E[Blinn-Phong變體] C --> F[GGX+Smith]

URP實現架構

graph LR A[URP Asset] --> B[ForwardRenderer] B --> C[Lighting Pass] C --> D[MainLight.hlsl] C --> E[AdditionalLights.hlsl] D --> F[Blinn-Phong計算] E --> G[逐光源疊加]

關鍵HLSL實現

URP光照計算核心代碼路徑：

Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/
├── Lighting.hlsl         # 光照入口
├── MainLight.hlsl        # 主方向光處理
├── AdditionalLights.hlsl # 附加光源
└── BRDF.hlsl            # PBR基礎函數

URP中快速調用標準光照模型實現

‌腳本位置‌

URP內置的SimpleLit.shader和Lit.shader（位於Packages/com.unity.render-pipelines.universal/Shaders/）
關鍵變量：_SpecularIntensity（控制高光強度）和_Smoothness（控制反射模糊度）

‌核心計算邏輯‌

‌Lambert漫反射‌：通過dot(worldNormal, worldLightDir)計算基礎光照

‌Phong/Blinn-Phong鏡面反射‌：其中halfDir為半角向量（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直接調用以上計算公式-調用入口‌

在Shader的SurfaceInput.hlsl中定義光照輸入結構體InputData
通過UniversalFragmentBlinnPhong函數處理光照,這些都定義在Lighting.hlsl中。
在Lighting.hlsl中有以下經驗光照的函數可直接調用
- LightingLambert
- LightingSpecular
- CalculateBlinnPhong
- UniversalFragmentBlinnPhong