【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

TerrainLit Shader是Unity URP（通用渲染管線）中專為地形系統設計的內置着色器，主要用於高效渲染大規模地形表面並支持多紋理混合。

作用與原理

‌核心功能‌：

• 支持最多8層紋理混合，通過高度圖或遮罩圖控制混合過渡
• 採用基於物理的渲染(PBR)模型處理光照和材質反射
• 優化了LOD（細節層次）系統，適應遠距離地形渲染

發展歷史

• ‌2018年‌：隨URP首次推出，僅支持4層紋理混合
• ‌2019年‌：升級至支持8層混合，增加PBR支持
• ‌2020年‌：優化GPU實例化，提升大規模地形渲染性能

‌技術原理‌：

• 使用SplatMap技術混合多張紋理，通過RGBA通道存儲混合權重
• 在頂點着色階段計算地形高度和法線，片段着色階段進行紋理採樣混合

SplatMap技術

SplatMap技術通過紋理的RGBA通道存儲多層紋理權重信息，在片段着色器中實現動態混合。

存儲機制

• ‌通道分配‌：

  • 每個RGBA通道對應一個紋理層的權重值（0-1範圍），例如R通道存儲第1層權重，G通道存儲第2層權重，依此類推。當需要超過4層時，會使用多張SplatMap（如第二張SplatMap的R通道存儲第5層權重）。

• ‌數據編碼‌：

  • 權重值通常以8位精度存儲（0-255映射到0.0-1.0），在着色器中通過歸一化還原。例如，R通道值0.5表示第1層權重為50%。

着色器實現示例

以下是一個基於Unity的片段着色器代碼片段，演示如何採樣並混合4層紋理：

hlsl
half4 frag(v2f input) : SV_Target {
    // 採樣SplatMap獲取權重
    half4 splat = SAMPLE_TEXTURE2D(_SplatMap, sampler_SplatMap, input.uv);

    // 採樣各層紋理
    half4 tex1 = SAMPLE_TEXTURE2D(_Layer1, sampler_Layer1, input.uv);
    half4 tex2 = SAMPLE_TEXTURE2D(_Layer2, sampler_Layer2, input.uv);
    half4 tex3 = SAMPLE_TEXTURE2D(_Layer3, sampler_Layer3, input.uv);
    half4 tex4 = SAMPLE_TEXTURE2D(_Layer4, sampler_Layer4, input.uv);

    // 動態混合（權重歸一化處理）
    half sumWeights = splat.r + splat.g + splat.b + splat.a;
    half3 finalColor = (tex1.rgb * splat.r + tex2.rgb * splat.g +
                       tex3.rgb * splat.b + tex4.rgb * splat.a) / sumWeights;

    return half4(finalColor, 1.0);
}

性能優化

• ‌紋理數組替代‌：

  • 使用Texture2DArray將多張紋理合併為單一資源，通過索引值（存儲在SplatMap的R/G通道）選擇紋理，減少採樣次數。例如：

    hlsl
    half4 var_Main = SAMPLE_TEXTURE2D_ARRAY(_TexArray, sampler_TexArray, uv, splat.r * 255) * splat.b;
    half4 var_Sec = SAMPLE_TEXTURE2D_ARRAY(_TexArray, sampler_TexArray, uv, splat.g * 255) * (1 - splat.b);
    half4 finalRGB = var_Main + var_Sec;

• ‌高度混合增強‌：

  • 結合高度圖（存儲在SplatMap的B通道）實現更自然的過渡效果，通過比較各層高度值動態調整權重。

限制與改進

• ‌通道限制‌：傳統SplatMap每張僅支持4層，超過時需要多張紋理，增加帶寬壓力。
• ‌混合精度‌：8位通道可能導致可見的帶狀偽影，可通過16位浮點紋理或抖動技術緩解。

具體使用示例

‌基礎配置‌

• 創建Terrain對象
• 在Inspector面板選擇Material為"Custom"
• 指定Shader為"Universal Render Pipeline/Terrain/Lit"

通過SplatMap控制紋理混合時，需在Terrain Layers中配置各層紋理的金屬度/光滑度等PBR參數

• ‌腳本控制混合‌：

  csharp
  // 動態修改第2層紋理權重
  Terrain terrain = GetComponent<Terrain>();
  float[,,] map = terrain.terrainData.GetAlphamaps(0, 0, 1, 1);
  map[0,0,1] = 0.5f;// 設置權重為50%
  terrain.terrainData.SetAlphamaps(0, 0, map);

Shader Graph應用

• ‌擴展案例‌（雪地效果）：

  • 創建Unlit Shader Graph，添加Height節點檢測地形高度5

  • 使用Lerp節點混合雪地紋理和基礎紋理：最終輸出到Base Color和Normal通道

    • Height → Step → Lerp(T)
      基礎紋理 → Lerp(A)
      雪地紋理 → Lerp(B)

• ‌溶解效果移植‌：

  • 複製TerrainLit的混合邏輯到Shader Graph
  • 添加Noise節點連接Alpha通道實現地形局部溶解

  • 關鍵節點鏈：

    • Noise → Step → Alpha Clipping
      Color → Emission（邊緣發光）

該着色器通過模塊化設計平衡了性能與效果，在URP 12.x版本後已完全支持Shader Graph的自定義擴展

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達
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