【Unity Shader】高级光照与阴影总结：渲染路径、多光源、透明阴影

本文从工程视角总结 URP 光照与阴影的关键机制：光照由哪些部分组成、Forward/Deferred 的差异如何影响 Shader 设计、多光源如何进入 Shader、阴影的计算链路、以及透明阴影为什么难。目标是把"写 Shader 时必须知道的输入与坑位"一次梳理清楚，便于长期复用。

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0. 什么时候必须理解这些机制

以下场景：

• 自定义光照/风格化（Toon/Ramp、边缘光、各向异性高光、假 SSS、特殊 BRDF）
• 主光 + 多点光 + 聚光的正确叠加（含衰减、阴影）
• 透明相关复杂效果（玻璃/薄膜/双面透明/自遮挡/透明写深度）
• 需要同时正确 Cast/Receive（投影/受影）
• 性能优化（多灯循环、阴影采样、透明 overdraw）

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1. URP 的"光照"在算什么

1.1 直射光（Direct Lighting）

直射光来自场景灯（Directional/Point/Spot）的贡献，通常包含：

• 漫反射 Diffuse：决定明暗与体积感
• 镜面反射 Specular：决定高光与材质质感
• 阴影 Shadow：决定"是否被遮挡"后的衰减

最小 Lambert（用于说明结构）：

diffuse = albedo * lightColor * max(0, dot(N, L))

• N：单位法线（常用世界空间）
• L：单位光方向（约定为"指向光源"的方向或其等价形式）
• albedo：材质本色（BaseMap/颜色）
• lightColor：灯颜色×强度

镜面反射常见两条路线：

• 传统：Blinn-Phong（便宜、易控）
• PBR：GGX/Disney BRDF（URP Lit/Shader Graph Lit 的主路径）

1.2 间接光（Indirect Lighting）

用于"没灯也不全黑"，典型来源：

• 环境光（Skybox/环境颜色）
• Light Probe（动态物体的烘焙环境）
• Lightmap（静态物体烘焙 GI）
• Reflection Probe（反射环境 / IBL）
• SH（球谐）

1.3 自发光（Emission）

物体自发光，不依赖灯光。常用于灯牌/能量特效，并配合 Bloom 强化观感。

工程上常见的合成结构：Final = (Direct × Shadow) + Indirect + Emission。

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2. 渲染路径（Rendering Path）与 Shader 的关系

2.1 Forward（前向）

特征：渲染对象时就把光照算完。

• 主光 + 额外光（循环或多 Pass 叠加）
• 透明几乎总走 Forward（混合与排序决定）

工程含义：

• 多灯会线性变贵（每像素循环更多灯）
• 透明 overdraw 叠加成本更高

2.2 Deferred（延迟）

特征：先写 GBuffer（材质信息），再统一算灯。

• 对不透明的"多动态灯"通常更划算
• 代价：更多缓冲带宽/显存；透明通常仍走 Forward

2.3 写 Shader 的视角总结

• Forward：更适合做"自定义光照"，但要面对多灯循环成本
• Deferred：更像"填材质表（GBuffer）"，想大改光照逻辑更麻烦
• 透明：即使项目启用 Deferred，透明材质也往往要按 Forward 规则设计

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3. 多光源如何进入 URP Shader

3.1 不是"场景所有灯"都会进入 Shader

URP 会对每个可见物体做光源剔除与限制，常见约束：

• 距离/范围
• Layer Mask
• URP Asset：是否开启 Additional Lights
• 最大额外灯数量（URP Asset）
• 额外灯按 Per-Vertex / Per-Pixel 计算模式

结论：Shader 里拿到的 Additional Lights 是"精选列表"，不是全场灯。

3.2 Main Light 与 Additional Lights（工程习惯）

• Main Light：通常 1 盏（常见为最重要的 Directional），通常带阴影
• Additional Lights：点光/聚光等，数量受限；是否带阴影取决于配置与成本权衡

3.3 叠加方式（概念）

每盏灯贡献一份 diffuse/specular，最终累加：

• N·L 决定明暗
• 点光/聚光还会有距离/角度衰减
• 阴影系数一般乘到该灯的直射贡献上（主光最常见）

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4. 阴影原理：Shadow Map 的计算链路

4.1 阴影的本质

阴影是一个可见性系数：

• shadowAttenuation ∈ [0,1]
• 1 表示光照得到，0 表示被遮挡

4.2 Shadow Map（阴影贴图）流程

1. 从光源视角渲染场景深度 → Shadow Map
2. 主渲染时把像素位置变换到光空间 → shadowCoord
3. 采样 Shadow Map 并比较深度
4. 得到 shadowAttenuation
5. 乘到直射光贡献：direct *= shadowAttenuation

4.3 高频坑位

• Shadow Bias / Normal Bias：避免自阴影痘痘（acne）与"漂浮"（peter panning）
• PCF：软阴影多点采样，成本与质量权衡明显
• Cascades：定向光级联阴影（近清晰远省）
• 阴影分辨率/距离：画质与性能强相关

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5. Cast vs Receive：你的 Shader 到底需要做什么

5.1 Receive Shadows（受影）

在主渲染 pass 中：

• 计算/获取 shadowCoord
• 采样 Shadow Map 得到 shadowAttenuation
• 把它乘到直射光贡献上

如果你写的是 Unlit/自定义 Lit 却不接阴影采样：

• 物体阴影区域不会变暗
• 视觉上更像"贴在屏幕上"

5.2 Cast Shadows（投影）

Shadow Map 生成阶段需要渲染你的物体深度：

• 通常需要一个 ShadowCaster pass（概念上与 Built-in 一致）

不写/不兼容 ShadowCaster pass 的常见后果：

• 物体不投影
• 或透明物体投影与预期不符（取决于你在 ShadowCaster 中如何处理 alpha）

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6. 透明物体的阴影为什么难（重点）

透明阴影困难的根源是信息量不足：

• Shadow Map 擅长回答"挡 / 不挡"（近似二值遮挡）
• 透明需要回答"挡多少 / 透多少"，并且可能需要多层累积甚至彩色透光

6.1 Shadow Map 只记录"最近深度"

同一方向上每个 texel 只存最近一层深度：

• 不透明：最近层挡住即可，模型匹配
• 透明：可能多层薄膜/玻璃，每层只挡一部分，应该沿光线做累积
  • 但 Shadow Map 不保存多层信息 → 无法真实累计透光

6.2 透明依赖混合与排序，阴影生成阶段通常不混合

透明主渲染依赖 Color Buffer 混合；阴影图阶段通常只写深度，不做颜色混合。

因此"半透明程度"难以自然映射到阴影测试模型中。

6.3 常见工程妥协（URP）

• 透明不投影（最常见）
• 用 Cutout（clip）投影（树叶/栅栏最稳）
• ShadowCaster pass 里做近似：clip 或用 alpha 近似遮光
• 用假阴影（blob shadow/投影贴花）替代真实投影

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7. 自定义 Shader 的最低实现建议

7.1 仅特效（Unlit）

• 默认可以不做阴影
• 若希望"受影"：采样 shadowAttenuation 并乘到直射贡献（或整体颜色）
• 若希望"投影"：补齐 ShadowCaster pass（透明要明确策略：不投影 / clip / 近似）

7.2 自定义 Lit（自己算光照）

建议从"基本正确"开始扩展：

1. Main Light 的 diffuse（Lambert/Toon 都可）
2. 主光阴影 shadowAttenuation
3. 再扩展高光、Additional Lights 循环、GI/Probe 等

7.3 透明材质的投影策略

优先明确需求：是否真的需要"半透明阴影"？

• 树叶/网格：Cutout（clip）投影最稳定
• 玻璃/薄膜：常见策略是不投影或用假阴影

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8. 性能与质量的常见权衡点

• 多光源：额外灯数量上限、Per-Pixel vs Per-Vertex
• 阴影：分辨率、距离、级联数、PCF 采样数
• 透明：overdraw、排序、是否写深度（稳定 vs 正确）
• 自定义效果：优先复用 URP 的库函数与管线数据，减少重复实现与兼容成本

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9. 再补充一个：Built-in（老管线）阴影三大宏：干什么、怎么用

这三件套的目标只有一个：
把阴影坐标从顶点传到片元，然后在片元里得到阴影衰减系数（0~1）。

9.1 SHADOW_COORDS(n)

作用 ：在 v2f 里声明一个用于存阴影坐标的插值变量（本质是 TEXCOORDn）。

用法：

struct v2f
{
    float4 pos : SV_POSITION;
    SHADOW_COORDS(1)   // 占用 TEXCOORD1 来存阴影坐标
    float2 uv : TEXCOORD0;
};

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9.2 TRANSFER_SHADOW(o)

作用 ：在顶点着色器里，把阴影坐标算出来并写进 v2f。

用法：

v2f vert(appdata v)
{
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    TRANSFER_SHADOW(o);  // 把阴影坐标塞到 o 的 SHADOW_COORDS 里
    o.uv = v.uv;
    return o;
}

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9.3 SHADOW_ATTENUATION(i)

作用：在片元着色器里采样阴影贴图，得到阴影衰减（0~1）。

• 1：完全受光
• 0：完全在阴影里
• 中间值：PCF 软阴影的过渡

用法：

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);

    half shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);  // 关键：阴影系数
    col.rgb *= shadow;                    // 最常见：让阴影区域变暗

    return col;
}

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Built-in 阴影三宏最小可运行骨架（仅示意）

#include "UnityCG.cginc"
#include "AutoLight.cginc"   // 阴影相关宏通常在这里/相关 include 中

struct appdata { float4 vertex:POSITION; float2 uv:TEXCOORD0; };
struct v2f { float4 pos:SV_POSITION; float2 uv:TEXCOORD0; SHADOW_COORDS(1) };

v2f vert(appdata v){
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
    o.uv = v.uv;
    TRANSFER_SHADOW(o);
    return o;
}

fixed4 frag(v2f i):SV_Target{
    fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
    half shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);
    col.rgb *= shadow;
    return col;
}

这套宏的本质就是"声明阴影坐标 → 顶点写入 → 片元采样得到 shadow"。

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9.4 URP 里怎么做同样的事（等价替代）

URP 不建议你用上面那套宏（很多时候直接不存在）。URP 的等价核心通常是这三步：

1. 算 shadowCoord ：TransformWorldToShadowCoord(positionWS)
2. 采主光阴影 ：MainLightRealtimeShadow(shadowCoord)
3. 乘到你的主光贡献上（或直接乘到颜色上）

示意（概念级）：

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

float4 shadowCoord = TransformWorldToShadowCoord(positionWS);
half shadow = MainLightRealtimeShadow(shadowCoord);
lighting.rgb *= shadow;

URP 里是函数为主，Built-in 里是宏为主。逻辑完全一样，只是接口换了。