【從UnityURP開始探索游戲渲染】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首次發布（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的經驗光照模型基于?能量守恒近似?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：

?光能分布模型?：

• ：蘭伯特漫反射（Lambert）
• ?：Blinn-Phong鏡面反射
• ?：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-片段著色器結構

• 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_ENDstruct Attributes{float4 positionOS : POSITION;float3 normalOS : NORMAL;};struct Varyings{float4 positionCS : SV_POSITION;float3 normalWS : TEXCOORD0;float3 viewDirWS : TEXCOORD1;};ENDHLSLPass{HLSLPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment fragVaryings 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

• 移動平臺使用SimpleLit代替Lit
• 控制Additional Lights數量（建議≤4）
• 使用Light Layers分層渲染
• 靜態物體啟用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

URP實現架構

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（位于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

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