【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

漫反射基本流程

漫反射遵循蘭伯特定律(Lambert's Cosine Law)，其核心流程如下：

• ‌法線準備‌：獲取表面法線向量(通常來自頂點法線或法線貼圖)
• ‌光源方向計算‌：確定光源到表面點的單位方向向量
• ‌點積運算‌：計算法線向量與光源方向的點積(N·L)
• ‌能量約束‌：使用saturate函數將結果限制在[0,1]範圍
• ‌顏色混合‌：將結果與光源顏色和表面反照率(albedo)相乘

數學表達式：

$漫反射 = 光源顏色 × 表面反照率 × max(0, N·L)$

漫反射基本原理

漫反射遵循蘭伯特定律(Lambert's Law)，描述光線在粗糙表面均勻散射的現象。其核心特點是：

• 光線入射角度影響反射強度
• 表面法線方向決定反射分佈
• 與觀察角度無關的各向同性反射

蘭伯特定律 Lambert’s law

$Cdiffuse=(Clight*Mdiffuse)max(0,n·I）$

fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));

半蘭伯特

$Cdiffuse=(Clight*Mdiffuse)(a(n·I)+b)$

絕大多數a和b都為0.5

$Cdiffuse=(Clight*Mdiffuse)(0.5(n·I)+0.5)$

Unity URP中的實現細節

核心實現位置

URP中的漫反射計算主要分佈在以下文件：

• Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl

實現原理

• ‌法線處理‌：
  • 世界空間法線轉換
  • 法線貼圖支持
  • 雙面渲染處理
• ‌光源計算‌：
  • 主光源方向計算
  • 附加光源循環處理
  • 點光源/聚光燈方向計算
• ‌漫反射核心‌：
  • 使用half精度優化
  • 能量守恆處理
  • 多光源疊加支持

關鍵代碼實現

• UnityURP_漫反射實現

  hlsl
  // 簡化版Lambert漫反射實現
  half3 DiffuseLighting(Light light, half3 normalWS, half3 albedo)
  {
      half NdotL = saturate(dot(normalize(normalWS), light.direction));
      return light.color * albedo * NdotL;
  }
  
  // 完整光照計算入口
  half3 UniversalFragmentBlinnPhong(InputData inputData, SurfaceData surfaceData)
  {
      // 初始化光照結果
      half3 color = surfaceData.emission;
      
      // 主光源漫反射計算
      Light mainLight = GetMainLight();
      color += DiffuseLighting(mainLight, inputData.normalWS, surfaceData.albedo);
      
      // 附加光源計算
      uint pixelLightCount = GetAdditionalLightsCount();
      for (uint lightIndex = 0; lightIndex < pixelLightCount; ++lightIndex)
      {
          Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, inputData.positionWS);
          color += DiffuseLighting(light, inputData.normalWS, surfaceData.albedo);
      }
      
      return color;
  }
  

快速調用方法

在URP着色器中調用漫反射的標準方式：

‌自定義着色器方式‌：

hlsl
// 片元着色器示例
half4 frag(Varyings input) : SV_Target
{
    // 初始化表面數據
    SurfaceData surfaceData;
    InitializeStandardLitSurfaceData(input.uv, surfaceData);

    // 準備光照輸入數據
    InputData inputData;
    InitializeStandardLitInputData(input, surfaceData.normalTS, inputData);

    // 計算漫反射光照
    half4 color = UniversalFragmentBlinnPhong(inputData, surfaceData);

    return color;
}

‌Shader Graph可視化方式‌：

• 使用"Dot Product"節點計算N·L
• 使用"Multiply"節點混合顏色
• 連接至"Fragment"輸出的Base Color通道

URP選擇此方案的原因

‌性能優化‌：

• 使用half精度計算
• 內置光照循環優化
• 最小化分支預測

‌物理一致性‌：

• 線性空間計算
• 正確的光照衰減（通過顏色與距離和陰影衰減相乘做到）

‌擴展性‌：

• 支持多光源場景
• 與PBR工作流兼容
• 可擴展自定義光照模型

‌跨平台支持‌：

• 適配移動端TBDR架構
• 支持SRP Batcher優化
• 兼容各種渲染路徑

在URP中，這種實現方式既保持了經典光照模型的直觀性，又通過現代渲染管線的優化手段確保了高性能表現，特別適合需要跨平台部署的項目。

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