【光照】[漫反射diffuse]以UnityURP为例

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漫反射基本流程

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

• ‌法线准备‌：获取表面法线向量(通常来自顶点法线或法线贴图)
• ‌光源方向计算‌：确定光源到表面点的单位方向向量
• ‌点积运算‌：计算法线向量与光源方向的点积(N·L)
• ‌能量约束‌：使用saturate函数将结果限制在[0,1]范围
• ‌颜色混合‌：将结果与光源颜色和表面反照率(albedo)相乘

数学表达式：

漫反射 = 光源颜色 × 表面反照率 × max(0, N·L)

漫反射基本原理

漫反射遵循兰伯特定律(Lambert's Law)，描述光线在粗糙表面均匀散射的现象。其核心特点是：

• 光线入射角度影响反射强度
• 表面法线方向决定反射分布
• 与观察角度无关的各向同性反射

兰伯特定律 Lambert's law

Cdiffuse=(Clight\*Mdiffuse)max(0,n·I）

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

半兰伯特

Cdiffuse=(Clight\*Mdiffuse)(a(n·I)+b)

绝大多数a和b都为0.5

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

Unity URP中的实现细节

核心实现位置

URP中的漫反射计算主要分布在以下文件：

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

实现原理

• ‌法线处理 ‌：
  • 世界空间法线转换
  • 法线贴图支持
  • 双面渲染处理
• ‌光源计算 ‌：
  • 主光源方向计算
  • 附加光源循环处理
  • 点光源/聚光灯方向计算
• ‌漫反射核心 ‌：
  • 使用half精度优化
  • 能量守恒处理
  • 多光源叠加支持

关键代码实现

• UnityURP_漫反射实现

  hlsl
  // 简化版Lambert漫反射实现
  half3 DiffuseLighting(Light light, half3 normalWS, half3 albedo)
  {
      half NdotL = saturate(dot(normalize(normalWS), light.direction));
      return light.color * albedo * NdotL;
  }
  
  // 完整光照计算入口
  half3 UniversalFragmentBlinnPhong(InputData inputData, SurfaceData surfaceData)
  {
      // 初始化光照结果
      half3 color = surfaceData.emission;
      
      // 主光源漫反射计算
      Light mainLight = GetMainLight();
      color += DiffuseLighting(mainLight, inputData.normalWS, surfaceData.albedo);
      
      // 附加光源计算
      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;
  }

快速调用方法

在URP着色器中调用漫反射的标准方式：

‌自定义着色器方式‌：

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

    // 准备光照输入数据
    InputData inputData;
    InitializeStandardLitInputData(input, surfaceData.normalTS, inputData);

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

    return color;
}

‌Shader Graph可视化方式‌：

• 使用"Dot Product"节点计算N·L
• 使用"Multiply"节点混合颜色
• 连接至"Fragment"输出的Base Color通道

URP选择此方案的原因

‌性能优化‌：

• 使用half精度计算
• 内置光照循环优化
• 最小化分支预测

‌物理一致性‌：

• 线性空间计算
• 正确的光照衰减（通过颜色与距离和阴影衰减相乘做到）

‌扩展性‌：

• 支持多光源场景
• 与PBR工作流兼容
• 可扩展自定义光照模型

‌跨平台支持‌：

• 适配移动端TBDR架构
• 支持SRP Batcher优化
• 兼容各种渲染路径

在URP中，这种实现方式既保持了经典光照模型的直观性，又通过现代渲染管线的优化手段确保了高性能表现，特别适合需要跨平台部署的项目。

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