【URP】Unity[内置Shader]地形光照TerrainLit

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

TerrainLit Shader是Unity URP（通用渲染管线）中专为地形系统设计的内置着色器，主要用于高效渲染大规模地形表面并支持多纹理混合。

作用与原理

‌核心功能‌：

• 支持最多8层纹理混合，通过高度图 或遮罩图 控制混合过渡
• 采用基于物理的渲染(PBR)模型处理光照和材质反射
• 优化了LOD（细节层次）系统，适应远距离地形渲染

发展历史

• ‌2018年‌：随URP首次推出，仅支持4层纹理混合
• ‌2019年‌：升级至支持8层混合，增加PBR支持
• ‌2020年‌：优化GPU实例化，提升大规模地形渲染性能

‌技术原理‌：

• 使用SplatMap技术混合多张纹理，通过RGBA通道存储混合权重
• 在顶点着色阶段计算地形高度和法线，片段着色阶段进行纹理采样混合

SplatMap技术

SplatMap技术通过纹理的RGBA通道存储多层纹理权重信息，在片段着色器中实现动态混合。

存储机制

• ‌通道分配 ‌：
  • 每个RGBA通道对应一个纹理层的权重值（0-1范围），例如R通道存储第1层权重，G通道存储第2层权重，依此类推。当需要超过4层时，会使用多张SplatMap（如第二张SplatMap的R通道存储第5层权重）。
• ‌数据编码 ‌：
  • 权重值通常以8位精度存储（0-255映射到0.0-1.0），在着色器中通过归一化还原。例如，R通道值0.5表示第1层权重为50%。

着色器实现示例

以下是一个基于Unity的片段着色器代码片段，演示如何采样并混合4层纹理：

hlsl
half4 frag(v2f input) : SV_Target {
    // 采样SplatMap获取权重
    half4 splat = SAMPLE_TEXTURE2D(_SplatMap, sampler_SplatMap, input.uv);

    // 采样各层纹理
    half4 tex1 = SAMPLE_TEXTURE2D(_Layer1, sampler_Layer1, input.uv);
    half4 tex2 = SAMPLE_TEXTURE2D(_Layer2, sampler_Layer2, input.uv);
    half4 tex3 = SAMPLE_TEXTURE2D(_Layer3, sampler_Layer3, input.uv);
    half4 tex4 = SAMPLE_TEXTURE2D(_Layer4, sampler_Layer4, input.uv);

    // 动态混合（权重归一化处理）
    half sumWeights = splat.r + splat.g + splat.b + splat.a;
    half3 finalColor = (tex1.rgb * splat.r + tex2.rgb * splat.g +
                       tex3.rgb * splat.b + tex4.rgb * splat.a) / sumWeights;

    return half4(finalColor, 1.0);
}

性能优化

• ‌纹理数组替代‌：

  • 使用Texture2DArray将多张纹理合并为单一资源，通过索引值（存储在SplatMap的R/G通道）选择纹理，减少采样次数。例如：

    hlsl
    half4 var_Main = SAMPLE_TEXTURE2D_ARRAY(_TexArray, sampler_TexArray, uv, splat.r * 255) * splat.b;
    half4 var_Sec = SAMPLE_TEXTURE2D_ARRAY(_TexArray, sampler_TexArray, uv, splat.g * 255) * (1 - splat.b);
    half4 finalRGB = var_Main + var_Sec;

• ‌高度混合增强‌：

  • 结合高度图（存储在SplatMap的B通道）实现更自然的过渡效果，通过比较各层高度值动态调整权重。

限制与改进

• ‌通道限制‌：传统SplatMap每张仅支持4层，超过时需要多张纹理，增加带宽压力。
• ‌混合精度‌：8位通道可能导致可见的带状伪影，可通过16位浮点纹理或抖动技术缓解。

具体使用示例

‌基础配置‌

• 创建Terrain对象
• 在Inspector面板选择Material为"Custom"
• 指定Shader为"Universal Render Pipeline/Terrain/Lit"

通过SplatMap控制纹理混合时，需在Terrain Layers中配置各层纹理的金属度/光滑度等PBR参数

• ‌脚本控制混合‌：

  csharp
  // 动态修改第2层纹理权重
  Terrain terrain = GetComponent<Terrain>();
  float[,,] map = terrain.terrainData.GetAlphamaps(0, 0, 1, 1);
  map[0,0,1] = 0.5f;// 设置权重为50%
  terrain.terrainData.SetAlphamaps(0, 0, map);

Shader Graph应用

• ‌扩展案例 ‌（雪地效果）：
  • 创建Unlit Shader Graph，添加Height节点检测地形高度5
  • 使用Lerp节点混合雪地纹理和基础纹理：最终输出到Base Color和Normal通道
    • Height → Step → Lerp(T) 基础纹理 → Lerp(A) 雪地纹理 → Lerp(B)
• ‌溶解效果移植 ‌：
  • 复制TerrainLit的混合逻辑到Shader Graph
  • 添加Noise节点连接Alpha通道实现地形局部溶解
  • 关键节点链：
    • Noise → Step → Alpha Clipping Color → Emission（边缘发光）

该着色器通过模块化设计平衡了性能与效果，在URP 12.x版本后已完全支持Shader Graph的自定义扩展

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