【URP】Unity[内置Shader]简单光照SimpleLit

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

SimpleLit Shader的作用与原理

SimpleLit Shader是Unity通用渲染管线(URP)中的一种轻量级着色器，主要用于低端设备或需要高效渲染的场景。它采用简化的Blinn-Phong光照模型，不计算物理正确性和能量守恒，从而实现了比标准Lit Shader更快的渲染速度。

核心原理

‌简化光照模型‌：使用Blinn-Phong模型而非PBR，省略了复杂的物理计算
‌模块化结构‌：分为Surface Options(控制渲染方式)、Surface Inputs(描述表面特性)和Advanced Options(底层渲染设置)三部分
‌前向渲染路径‌：通过"UniversalForward" Pass实现，支持主光源阴影和附加光源计算
‌变体控制‌：通过Shader Feature和Multi Compile指令管理不同功能组合，减少不必要的变体

发展历史

SimpleLit Shader随着URP的发展经历了多个版本迭代：

早期版本(2019-2020)：作为URP首批内置Shader之一，提供基础光照功能
URP 7.x时期(2021)：优化了变体管理，增加了GPU实例化支持
URP 12.1.1(2022)：完善了SubShader错误处理，默认返回紫色洋葱效果
当前版本(2024-2025)：支持DOTS Instancing，增强了与Shader Graph的兼容性

具体使用方法

基础应用示例

创建材质：在Project窗口右键 > Create > Material
选择Shader：在材质Inspector中，选择"Universal Render Pipeline > Simple Lit"
配置属性：
- Base Map：设置基础颜色纹理
- Base Color：调整整体色调
- Smoothness：控制表面光滑度
- Emission：添加自发光效果

代码示例

csharp 复制代码

csharp
// 通过代码设置SimpleLit材质属性
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中的应用

创建SimpleLit风格Shader

创建新Graph：右键 > Create > Shader > Universal Render Pipeline > Blank Shader Graph
设置Graph设置：
- Material设置为"Simple Lit"
- Surface设置为"Opaque"或"Transparent"
构建节点网络：
- 使用"Sample Texture 2D"节点获取基础颜色
- 通过"Normal From Texture"节点处理法线贴图
- 连接"Master Stack"的对应输入端口

示例Graph功能

‌基础颜色混合 ‌：
- 混合纹理采样和颜色参数
- 添加细节遮罩控制混合强度
‌动态高光控制 ‌：
- 使用时间节点驱动高光强度变化
- 通过顶点位置影响高光范围
‌边缘发光效果 ‌：
- 计算视角与法线夹角
- 使用Fresnel节点创建边缘光

保存与应用

保存Graph后生成.shadergraph文件
创建材质并选择生成的Shader
通过材质参数面板调整公开属性

Shader simple lit 对比 Lit

SimpleLit Shader与Lit Shader的性能差异主要体现在光照模型的计算复杂度上。SimpleLit采用简化的Blinn-Phong光照模型，而Lit基于物理渲染（PBR），两者的性能差距和适用场景如下：

性能对比

‌渲染效率‌

SimpleLit通过忽略物理正确性和能量守恒计算，相比Lit Shader可提升约30%-50%的渲染性能，尤其在低端移动设备上表现更显著。Lit Shader因需计算微表面模型（GGX+Smith）和复杂的光照交互，对GPU负担较大。
‌变体复杂度‌

Lit Shader支持更多材质属性（如金属度、粗糙度），导致Shader变体数量远高于SimpleLit，增加了内存和编译开销。SimpleLit的变体更少，适合需要快速迭代或大量实例化的场景。

材质实现能力

‌SimpleLit适用材质 ‌
- 卡通风格表面（非PBR）
- 低多边形（Low Poly）美术风格
- 需要快速渲染的静态物体或背景元素
- 通过调整_SpecColor和_Glossiness实现简单高光效果，但不支持动态环境光遮蔽（AO）或复杂反射。
‌Lit适用材质 ‌
- 金属/非金属PBR材质（如真实感金属、石材）
- 需要动态光照和阴影的高质量场景
- 支持屏幕空间全局光照（SSGI）等高级特性。

选择建议

‌性能优先‌：选择SimpleLit，尤其针对移动端或低端设备。
‌效果优先‌：需真实物理交互的场景（如角色、动态物体）使用Lit。

两者均支持URP的GPU实例化和SRP Batcher优化，但SimpleLit在批量渲染时优势更明显.

卡通风格非PBR 材质实现

核心实现原理

‌基础光照模型‌：采用Simple Lit的Lambert漫反射+Blinn-Phong高光组合，通过阈值化处理实现色阶分离
‌边缘光增强‌：利用菲涅尔效应节点(Fresnel Effect Node)生成轮廓光，通过Power参数控制边缘宽度
‌色块分割‌：使用Step或SmoothStep函数对光照结果进行离散化处理，形成卡通风格的色块过渡

关键参数说明

‌_RampThreshold：控制阴影与亮部的分界阈值，值越小阴影区域越大
‌_RampSmooth：色块边缘的平滑过渡范围，设为0时产生硬边缘
‌_RimPower：调整边缘光衰减速度，值越大轮廓线越细

ToonSimpleLit.shader

c 复制代码

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
        {
            // 基础纹理采样
            half4 baseMap = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.uv);
            half3 baseColor = baseMap.rgb * _BaseColor.rgb;

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

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

            // 高光计算
            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;

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

            // 最终合成
            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
        }
    }
}

扩展优化建议

‌添加色阶贴图‌：使用1D纹理控制光照过渡曲线，实现更复杂的卡通色阶效果
‌描边效果‌：通过背面挤出法或后处理实现轮廓描边（需额外Pass）
‌材质变体‌：通过Shader变体支持不同风格切换（如赛璐璐/水彩风格）

该Shader保留了URP轻量级特性，通过HLSL重写光照模型实现非PBR卡通效果，可直接在URP项目中使用。如需更复杂的艺术控制，可参考原神风格的贴图通道分配方案

性能优化建议

‌变体控制‌：禁用不必要的Shader变体(如_SPECGLOSSMAP)减少内存占用
‌GPU Instancing‌：对相同材质的对象启用实例化减少Draw Call
‌纹理压缩‌：使用适当的压缩格式减少显存占用
‌LOD组合‌：与复杂Shader配合使用，根据距离切换SimpleLit

SimpleLit Shader通过简化光照计算在保持基本视觉效果的同时显著提升渲染效率，特别适合移动平台和低端设备，是URP管线中平衡性能与效果的重要工具

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达 （欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，🙏）