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【URP】Unity[內置Shader]簡單光照SimpleLit

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

SimpleLit Shader的作用與原理

SimpleLit Shader是Unity通用渲染管線(URP)中的一種輕量級着色器，主要用於低端設備或需要高效渲染的場景。它採用簡化的Blinn-Phong光照模型，不計算物理正確性和能量守恆，從而實現了比標準Lit Shader更快的渲染速度。

核心原理

  • ‌簡化光照模型‌：使用Blinn-Phong模型而非PBR，省略了複雜的物理計算
  • ‌模塊化結構‌：分為Surface Options(控制渲染方式)、Surface Inputs(描述表面特性)和Advanced Options(底層渲染設置)三部分
  • ‌前向渲染路徑‌：通過"UniversalForward" Pass實現，支持主光源陰影和附加光源計算
  • ‌變體控制‌：通過Shader Feature和Multi Compile指令管理不同功能組合，減少不必要的變體

image.png

發展歷史

SimpleLit Shader隨着URP的發展經歷了多個版本迭代：

  • 早期版本(2019-2020)：作為URP首批內置Shader之一，提供基礎光照功能
  • URP 7.x時期(2021)：優化了變體管理，增加了GPU實例化支持
  • URP 12.1.1(2022)：完善了SubShader錯誤處理，默認返回紫色洋葱效果
  • 當前版本(2024-2025)：支持DOTS Instancing，增強了與Shader Graph的兼容性

具體使用方法

基礎應用示例

  • 創建材質：在Project窗口右鍵 > Create > Material
  • 選擇Shader：在材質Inspector中，選擇"Universal Render Pipeline > Simple Lit"

  • 配置屬性：

    • Base Map：設置基礎顏色紋理
    • Base Color：調整整體色調
    • Smoothness：控制表面光滑度
    • Emission：添加自發光效果

代碼示例

csharp
// 通過代碼設置SimpleLit材質屬性
Material simpleLitMat = new Material(Shader.Find("Universal Render Pipeline/Simple Lit"));
simpleLitMat.SetTexture("_BaseMap", Resources.Load<Texture>("BaseTexture"));
simpleLitMat.SetColor("_BaseColor", Color.blue);
simpleLitMat.SetFloat("_Smoothness", 0.75f);

Shader Graph中的應用

創建SimpleLit風格Shader

  • 創建新Graph：右鍵 > Create > Shader > Universal Render Pipeline > Blank Shader Graph

  • 設置Graph設置：

    • Material設置為"Simple Lit"
    • Surface設置為"Opaque"或"Transparent"

  • 構建節點網絡：

    • 使用"Sample Texture 2D"節點獲取基礎顏色
    • 通過"Normal From Texture"節點處理法線貼圖
    • 連接"Master Stack"的對應輸入端口

示例Graph功能

  • ‌基礎顏色混合‌：

    • 混合紋理採樣和顏色參數
    • 添加細節遮罩控制混合強度

  • ‌動態高光控制‌：

    • 使用時間節點驅動高光強度變化
    • 通過頂點位置影響高光範圍

  • ‌邊緣發光效果‌：

    • 計算視角與法線夾角
    • 使用Fresnel節點創建邊緣光

保存與應用

  • 保存Graph後生成.shadergraph文件
  • 創建材質並選擇生成的Shader
  • 通過材質參數面板調整公開屬性

Shader simple lit 對比 Lit

SimpleLit Shader與Lit Shader的性能差異主要體現在光照模型的計算複雜度上。SimpleLit採用簡化的Blinn-Phong光照模型，而Lit基於物理渲染（PBR），兩者的性能差距和適用場景如下：

性能對比

  • ‌渲染效率‌

    SimpleLit通過忽略物理正確性和能量守恆計算，相比Lit Shader可提升約30%-50%的渲染性能，尤其在低端移動設備上表現更顯著。Lit Shader因需計算微表面模型（GGX+Smith）和複雜的光照交互，對GPU負擔較大。

  • ‌變體複雜度‌

    Lit Shader支持更多材質屬性（如金屬度、粗糙度），導致Shader變體數量遠高於SimpleLit，增加了內存和編譯開銷。SimpleLit的變體更少，適合需要快速迭代或大量實例化的場景。

材質實現能力

  • ‌SimpleLit適用材質‌

    • 卡通風格表面（非PBR）
    • 低多邊形（Low Poly）美術風格
    • 需要快速渲染的靜態物體或背景元素
    • 通過調整_SpecColor和_Glossiness實現簡單高光效果，但不支持動態環境光遮蔽（AO）或複雜反射。

  • ‌Lit適用材質‌

    • 金屬/非金屬PBR材質（如真實感金屬、石材）
    • 需要動態光照和陰影的高質量場景
    • 支持屏幕空間全局光照（SSGI）等高級特性。

選擇建議

  • ‌性能優先‌：選擇SimpleLit，尤其針對移動端或低端設備。
  • ‌效果優先‌：需真實物理交互的場景（如角色、動態物體）使用Lit。

兩者均支持URP的GPU實例化和SRP Batcher優化，但SimpleLit在批量渲染時優勢更明顯.

卡通風格 非PBR 材質實現

核心實現原理

  • ‌基礎光照模型‌：採用Simple Lit的Lambert漫反射+Blinn-Phong高光組合，通過閾值化處理實現色階分離
  • ‌邊緣光增強‌：利用菲涅爾效應節點(Fresnel Effect Node)生成輪廓光，通過Power參數控制邊緣寬度
  • ‌色塊分割‌：使用Step或SmoothStep函數對光照結果進行離散化處理，形成卡通風格的色塊過渡

關鍵參數説明

  • ‌_RampThreshold：控制陰影與亮部的分界閾值，值越小陰影區域越大
  • ‌_RampSmooth：色塊邊緣的平滑過渡範圍，設為0時產生硬邊緣
  • ‌_RimPower：調整邊緣光衰減速度，值越大輪廓線越細

  • ToonSimpleLit.shader

    Shader "Universal Render Pipeline/Simple Toon"
{
    Properties
    {
        _BaseColor("Base Color", Color) = (1,1,1,1)
        _BaseMap("Base Map", 2D) = "white" {}
        _ShadowColor("Shadow Color", Color) = (0.4,0.4,0.4,1)
        _RampThreshold("Ramp Threshold", Range(0,1)) = 0.5
        _RampSmooth("Ramp Smooth", Range(0.01,0.1)) = 0.01
        _SpecColor("Specular Color", Color) = (0.9,0.9,0.9,1)
        _SpecThreshold("Spec Threshold", Range(0,1)) = 0.5
        _SpecSmooth("Spec Smooth", Range(0,0.1)) = 0.02
        _RimPower("Rim Power", Range(0,10)) = 5
        _RimColor("Rim Color", Color) = (0.8,0.8,0.8,1)
    }

    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" }

        HLSLINCLUDE
        #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
        #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"

        TEXTURE2D(_BaseMap);
        SAMPLER(sampler_BaseMap);

        CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
        float4 _BaseColor;
        float4 _BaseMap_ST;
        float4 _ShadowColor;
        float _RampThreshold;
        float _RampSmooth;
        float4 _SpecColor;
        float _SpecThreshold;
        float _SpecSmooth;
        float _RimPower;
        float4 _RimColor;
        CBUFFER_END

        struct Attributes
        {
            float4 positionOS : POSITION;
            float3 normalOS : NORMAL;
            float2 uv : TEXCOORD0;
        };

        struct Varyings
        {
            float4 positionCS : SV_POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;
            float3 normalWS : TEXCOORD1;
            float3 viewDirWS : TEXCOORD2;
            float3 positionWS : TEXCOORD3;
        };

        Varyings ToonPassVertex(Attributes input)
        {
            Varyings output;
            VertexPositionInputs vertexInput = GetVertexPositionInputs(input.positionOS.xyz);
            output.positionCS = vertexInput.positionCS;
            output.uv = TRANSFORM_TEX(input.uv, _BaseMap);

            VertexNormalInputs normalInput = GetVertexNormalInputs(input.normalOS);
            output.normalWS = normalInput.normalWS;
            output.viewDirWS = GetWorldSpaceViewDir(vertexInput.positionWS);
            output.positionWS = vertexInput.positionWS;
            return output;
        }

        half4 ToonPassFragment(Varyings input) : SV_Target
        {
            // 基礎紋理採樣
            half4 baseMap = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.uv);
            half3 baseColor = baseMap.rgb * _BaseColor.rgb;

            // 光照計算
            Light mainLight = GetMainLight();
            float3 lightDir = normalize(mainLight.direction);
            float3 normalWS = normalize(input.normalWS);
            float NdotL = dot(normalWS, lightDir);

            // 漫反射色階化
            float diffuse = smoothstep(_RampThreshold - _RampSmooth, 
                                      _RampThreshold + _RampSmooth, 
                                      NdotL * 0.5 + 0.5);
            float3 diffuseColor = lerp(_ShadowColor.rgb, 1, diffuse) * baseColor;

            // 高光計算
            float3 viewDir = normalize(input.viewDirWS);
            float3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
            float specular = pow(max(0, dot(normalWS, halfDir)), 32);
            specular = smoothstep(_SpecThreshold - _SpecSmooth,
                                 _SpecThreshold + _SpecSmooth,
                                 specular);
            float3 specularColor = specular * _SpecColor.rgb * mainLight.color;

            // 邊緣光
            float rim = 1 - max(0, dot(viewDir, normalWS));
            rim = pow(rim, _RimPower);
            float3 rimColor = rim * _RimColor.rgb;

            // 最終合成
            float3 finalColor = diffuseColor * mainLight.color + specularColor + rimColor;
            return half4(finalColor, baseMap.a);
        }
        ENDHLSL

        Pass
        {
            Name "ToonPass"
            Tags { "LightMode"="UniversalForward" }

            HLSLPROGRAM
            #pragma vertex ToonPassVertex
            #pragma fragment ToonPassFragment
            ENDHLSL
        }
    }
}

擴展優化建議

  • ‌添加色階貼圖‌：使用1D紋理控制光照過渡曲線，實現更復雜的卡通色階效果
  • ‌描邊效果‌：通過背面擠出法或後處理實現輪廓描邊（需額外Pass）
  • ‌材質變體‌：通過Shader變體支持不同風格切換（如賽璐璐/水彩風格）

該Shader保留了URP輕量級特性，通過HLSL重寫光照模型實現非PBR卡通效果，可直接在URP項目中使用。如需更復雜的藝術控制，可參考原神風格的貼圖通道分配方案

性能優化建議

  • ‌變體控制‌：禁用不必要的Shader變體(如_SPECGLOSSMAP)減少內存佔用
  • ‌GPU Instancing‌：對相同材質的對象啓用實例化減少Draw Call
  • ‌紋理壓縮‌：使用適當的壓縮格式減少顯存佔用
  • ‌LOD組合‌：與複雜Shader配合使用，根據距離切換SimpleLit

SimpleLit Shader通過簡化光照計算在保持基本視覺效果的同時顯著提升渲染效率，特別適合移動平台和低端設備，是URP管線中平衡性能與效果的重要工具

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達
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遊戲開發 , unity3d , 圖形學
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