【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

Lit Shader的作用與原理

Lit Shader是Unity通用渲染管線(URP)中的核心着色器，專門用於實現基於物理的渲染(PBR)效果。它能以照片級質量渲染真實世界的表面材質，如石頭、木材、玻璃、塑料和金屬，使光照和反射在各種光照條件下(如明亮的陽光或黑暗的洞穴)都能呈現逼真效果。

工作原理

Lit Shader採用物理正確的光照模型，考慮了能量守恆和微表面理論。它通過以下核心參數控制材質表現：

• ‌金屬度Metallic‌: 控制材質是金屬(1)還是非金屬(0)，金屬材質具有更強烈的鏡面反射
• ‌光滑度Smoothness‌: 決定表面粗糙程度，影響高光反射的擴散範圍
• ‌法線貼圖Normal Map‌: 增加表面微觀細節的視覺表現
• ‌環境光遮蔽Ambient Occlusion‌: 模擬表面縫隙和凹陷處的陰影效果

URP中的Lit Shader通過SubShader和多個Pass實現渲染，每個Pass都有特定用途(如主光源、附加光源、陰影等)。與內置渲染管線不同，URP不需要為每個附加光源創建額外Pass，而是通過優化後的單Pass前向渲染實現高效多光源處理。

發展歷史

Lit Shader隨着Unity渲染管線的發展經歷了幾個關鍵階段：

• ‌內置渲染管線時期‌：Unity最初提供標準着色器(Standard Shader)，採用類似PBR的工作流程，但性能開銷較大
• ‌LWRP階段‌：Unity推出輕量級渲染管線(LWRP)，包含簡化版的Lit Shader，專注於移動平台優化
• ‌URP階段‌：LWRP升級為通用渲染管線(URP)，Lit Shader成為核心着色器，支持更廣泛平台並優化性能
• ‌持續優化‌：Unity不斷改進Lit Shader，增加功能如透明混合模式、雙面渲染等，同時保持高性能

具體使用方法

基本設置步驟

• 在項目中創建或選擇材質
• 在材質檢查器窗口中選擇Shader為"Universal Render Pipeline > Lit"

• 配置材質屬性：

  Surface Options:
    - 表面類型(不透明/透明)
    - 渲染面(正面/雙面)
    - 混合模式(Alpha/Premultiply/Additive/Multiply)
  
  Surface Inputs:
    - 基礎顏色
    - 金屬度
    - 光滑度
    - 法線貼圖
    - 高度圖等

示例：創建金屬材質

• 新建材質並應用Lit Shader
• 設置Surface Type為Opaque
• 調整Base Color為金屬色調(如銀灰色)
• 將Metallic滑塊調至1(完全金屬)
• 調整Smoothness控制反射清晰度
• 添加法線貼圖增加表面細節

Shader Graph中的應用

雖然Lit Shader本身是代碼實現的，但可以在Shader Graph中創建類似效果：

示例：在Shader Graph中創建PBR材質

• 創建新的Shader Graph，選擇URP模板

• 添加以下節點：

  • ‌PBR Master‌節點(核心光照模型)
  • ‌Sample Texture 2D‌節點(基礎貼圖)
  • ‌Normal From Texture‌節點(法線貼圖)
  • ‌Slider‌節點(控制金屬度和光滑度)

• 連接節點：

  • 基礎貼圖連接到Albedo
  • 法線連接到Normal
  • 金屬度和光滑度滑塊連接到相應輸入
• 導出為Shader並應用到材質

高級示例

透明玻璃效果

• 在Shader Graph中設置PBR Master的Surface Type為Transparent
• 設置Blend Mode為Alpha
• 添加Fresnel Effect節點模擬玻璃邊緣反射
• 使用Vertex Position節點驅動折射效果
• 通過Time節點添加動態反射變化

基礎配置

• ‌創建材質並選擇Lit Shader‌

  在材質Inspector中選擇Shader路徑為Universal Render Pipeline > Lit，這是URP下實現物理渲染的基礎着色器。

• ‌設置表面類型為透明‌

  在Surface Options中將Surface Type從默認的Opaque改為Transparent，此時會激活Blending Mode選項。

• ‌選擇混合模式‌

  • ‌Alpha模式‌：適用於普通半透明效果，通過Alpha值控制透明度（0完全透明，1不透明），計算公式為OutputRGBA = (SourceRGB × SourceAlpha) + DestinationRGB × (1 − SourceAlpha)。
  • ‌Premultiply模式‌：適合保留高光和反射的透明材質（如玻璃），可減少邊緣偽影。

進階調整

• ‌深度寫入與雙Pass優化‌

  若出現透明物體內部穿模問題，可通過雙Pass解決：第一個Pass僅寫入深度（ZWrite On + ColorMask 0），第二個Pass關閉深度寫入並啓用混合（ZWrite Off + Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha）。

• ‌折射效果增強‌

  使用GrabPass捕獲屏幕紋理，結合模型UV偏移模擬折射。示例代碼片段：

  hlsl
  GrabPass { "_GrabTexture" }
  sampler2D _GrabTexture;
  float4 frag(v2f i) : SV_Target {
      float2 offset = /* 基於法線或高度的偏移計算 */;
      return tex2D(_GrabTexture, i.uvgrab + offset);
  }

  此方法需配合透明材質和混合模式使用。

• ‌菲涅爾效應‌

  在片元着色器中加入視角相關透明度變化，增強邊緣高光：

  hlsl
  float NDotV = saturate(dot(worldNormal, viewDir));
  float fresnel = pow(1 - NDotV, _FresnelPower);
  alpha *= fresnel;

  通過調整_FresnelPower控制效果強度。

性能注意事項

• 透明渲染會禁用Early-Z優化，建議控制透明物體數量。
• 複雜效果（如折射）可能需自定義Shader變體，URP Lit的Surface Type和Blending Mode已覆蓋多數基礎需求

金屬材質

• ‌工作流模式‌：選擇"Metallic"模式，通過調整Metallic滑塊控制金屬度（1.0為全金屬效果）
• ‌光滑度‌：增加Smoothness值（0.8-1.0）可獲得鏡面反射效果
• ‌基礎貼圖‌：使用帶有金屬質感的基礎顏色貼圖，建議配合法線貼圖增強細節

頭髮材質

• ‌多層結構‌：使用兩個材質球（Front+Transparent）組合，Transparent材質需開啓Alpha混合和雙面渲染

• ‌參數配置‌：

  • Front材質：Surface Type=Opaque, Render Face=Front
  • Transparent材質：Alpha=0.3-0.5, Render Face=Both

雪地材質

• ‌世界法線混合‌：通過法線貼圖的Y軸值作為蒙版，混合雪地與原材質

• ‌參數設置‌：

  • BaseMap：使用雪地紋理
  • Smoothness：0.4-0.6模擬濕雪反光
  • Normal Map：增強表面凹凸細節

岩石/混凝土

• ‌工作流模式‌：選擇"Specular"模式更易控制非金屬反射

• ‌表面細節‌：

  • 使用高對比度法線貼圖
  • Smoothness=0.1-0.3保持粗糙質感
  • 開啓Height Map實現視差遮擋

動態效果實現

• 對於火焰/水球等特效，建議通過ShaderGraph擴展Lit Shader：

  • ‌UV擾動‌：使用Voronoi噪點+Time節點驅動UV動畫
  • ‌進度控制‌：通過腳本動態調整Cutoff參數實現填充效果

• 關鍵參數組位置：

  • Surface Options：定義材質基礎類型和渲染方式
  • Surface Inputs：配置紋理和物理屬性
  • Advanced Options：控制渲染優化選項

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