1. 引言：理解全局光照
全局光照（Global Illumination，简称 GI）是计算机图形学中一项重要的光照技术，它模拟了光线在场景中 多次反弹 的效果，使渲染结果更加真实自然。在 Unity 的通用渲染管线（URP）中，GI 系统主要通过以下几种方式实现：
💡 URP 中的 GI 方案：
URP 12.0+ 版本引入了对 Enlighten 实时 GI 的支持，同时保留了传统的烘焙 GI（Lightmap）和实时探针方案。
本文将深入讲解三种主要的 GI 实现方式：
- Lightmap（光照贴图） --- 静态场景的预计算光照
- 光照探针（Light Probe） --- 动态物体的环境光采样
- 反射探针（Reflection Probe） --- 实时反射与环境映射
2. Lightmap 烘焙与采样
2.1 什么是 Lightmap？
Lightmap 是 Unity 中最传统的 GI 解决方案，它将场景的光照信息 预计算 并存储到贴图中。这种方式适合静态场景，能够以较低的性能开销实现高质量的光照效果。
2.2 Lightmap 工作流程
2.3 URP Shader 中采样 Lightmap
在自定义 URP Shader 中，我们需要使用 Unity 提供的内置函数来采样 Lightmap。以下是完整的实现代码：
cs
1// ============================================================
2// Unity URP Lightmap 采样示例
3// 适用于 URP 12.0+
4// ============================================================
5
6// 引入 URP 核心头文件
7#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
8#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
9
10// ============================================================
11// 声明 Shader 属性
12// ============================================================
13
14struct Attributes {
15 float4 positionOS : POSITION; // 对象空间顶点位置
16 float3 normalOS : NORMAL; // 对象空间法线
17 float2 uv : TEXCOORD0; // 主纹理坐标
18 float2 lightmapUV : TEXCOORD1; // Lightmap UV
19};
20
21struct Varyings {
22 float4 positionHCS : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点位置
23 float2 uv : TEXCOORD0;
24 float3 positionWS : TEXCOORD1; // 世界空间位置
25 float3 normalWS : TEXCOORD2; // 世界空间法线
26 float2 lightmapUV : TEXCOORD3; // Lightmap UV 传递到片元着色器
27};
28
29// ============================================================
30// 顶点着色器
31// ============================================================
32
33Varyings Vertex(Attributes input) {
34 Varyings output;
35
36 // 转换顶点位置到裁剪空间
37 output.positionHCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS);
38
39 // 转换法线到世界空间
40 output.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS);
41
42 // 获取世界空间位置
43 output.positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS).xyz;
44
45 // 传递 UV 坐标
46 output.uv = input.uv;
47
48 // 传递 Lightmap UV（应用 Scale/Offset）
49 output.lightmapUV = input.lightmapUV * unity_LightmapST.xy + unity_LightmapST.zw;
50
51 return output;
52}
53
54// ============================================================
55// 片元着色器 --- Lightmap 采样核心逻辑
56// ============================================================
57
58float4 Fragment(Varyings input) : SV_Target {
59 // 基础颜色（从主纹理采样）
60 float4 baseColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);
61
62 // 初始化光照数据
63 Light mainLight = GetMainLight();
64
65 // ========== Lightmap 采样核心代码 ==========
66 float3 lightmapColor = float3(0.0);
67
68// D:\Unity\2022\Editor\Data\Resources\PackageManager\ProjectTemplates\
69 // 使用 SAMPLE_TEXTURE2D 采样 Lightmap
70 // unity_Lightmap 是 Lightmap 纹理数组
71 #if defined(LIGHTMAP_ON)
72 // 烘焙光照模式：使用 Lightmap 纹理
73 lightmapColor = SAMPLE_TEXTURE2D(unity_Lightmap, samplerunity_Lightmap,
74 input.lightmapUV).rgb;
75 // 解码 HDR Lightmap（如果使用 HDR）
76 lightmapColor = DecodeLightmap(lightmapColor);
77 #else
78 // 如果没有 Lightmap，使用环境光
79 lightmapColor = float3(0.03, 0.03, 0.03); // 默认环境光
80 #endif
81
82 // 计算 Lambert 漫反射
83 float NdotL = dot(input.normalWS, mainLight.direction);
84 float diffuse = saturate(NdotL);
85
86 // 组合光照：基础色 × (直接光照 + Lightmap)
87 float3 finalColor = baseColor.rgb *
88 (mainLight.color * diffuse + lightmapColor);
89
90 return float4(finalColor, baseColor.a);
91}⚠️ 注意事项：
Lightmap 采样需要物体标记为 Lightmap Static，并且在 Lighting Settings 中启用 Baked GI。
3. 光照探针 (Light Probe)
3.1 光照探针的作用
光照探针（Light Probe）用于为 动态物体 提供环境光照信息。静态物体使用 Lightmap，而动态角色、玩家角色等无法使用 Lightmap 的物体需要通过光照探针来获取环境光照。
3.2 Shader 中采样光照探针
光照探针使用球谐函数（Spherical Harmonics）进行编码和采样，这在 URP 中可以通过内置函数自动处理：
cs
1// ============================================================
2// 光照探针 (Light Probe) 采样示例
3// 使用球谐函数 (Spherical Harmonics)
4// ============================================================
5
6#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
7
8// ============================================================
9// 结构体定义
10// ============================================================
11
12struct Varyings {
13 float4 positionHCS : SV_POSITION;
14 float3 positionWS : TEXCOORD0; // 世界空间位置
15 float3 normalWS : TEXCOORD1; // 世界空间法线
16 float2 uv : TEXCOORD2;
17};
18
19// ============================================================
20// 片元着色器：光照探针采样
21// ============================================================
22
23float4 Fragment(Varyings input) : SV_Target {
24 float4 baseColor = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);
25
26 // 获取主光源信息
27 Light mainLight = GetMainLight();
28
29 // ========== 光照探针采样核心代码 ==========
30 float3 lightProbeColor = float3(0.0);
31
32 // 使用 SampleSH 在世界空间法线方向采样球谐
33 // Unity 会自动找到最近的光照探针组
34 // 这里的 Probe 存储为球谐系数
35 #if defined(LIGHTMAP_ON)
36 // 烘焙 GI 模式：使用球谐探针
37 // SampleSHVertex 是在顶点着色器中进行采样
38 lightProbeColor = SampleSH(input.normalWS);
39 #else
40 // 非烘焙模式：使用环境光
41 lightProbeColor = SampleAmbient(input.positionWS);
42 #endif
43
44 // ========== 获取额外光源 (Additional Lights) ==========
45 int pixelLightCount = GetAdditionalLightsCount();
46 float3 addLightContribution = float3(0);
47
48 // 遍历所有额外光源
49 for (int i = 0; i < pixelLightCount; ++i) {
50 Light light = GetAdditionalLight(i, input.positionWS);
51 float dist = distance(input.positionWS, light.position);
52 float attenuation = 1.0 / (1.0 + 0.1 * dist * dist);
53 float NdotL = max(0, dot(input.normalWS, light.direction));
54 addLightContribution += light.color * NdotL * attenuation;
55 }
56
57 // 计算最终颜色
58 float3 finalColor = baseColor.rgb * (
59 lightProbeColor + // 光照探针（环境光）
60 mainLight.color * // 主光源
61 max(0, dot(input.normalWS, mainLight.direction)) +
62 addLightContribution // 额外光源
63 );
64
65 return float4(finalColor, baseColor.a);
66}💡 球谐函数 (Spherical Harmonics) 优势：
相比直接存储颜色值，球谐系数只需要很少的内存（约 27 个浮点数）就能存储一个位置的环境光照信息，支持任意方向的快速采样。
4. 反射探针 (Reflection Probe)
4.1 反射探针类型
反射探针用于提供环境反射信息，在 URP 中有三种模式：
| 类型 | 模式 | 性能 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| Baked | 烘焙 | 最高 | 静态环境的反射 |
| Realtime | 实时 | 最低 | 动态场景的实时反射 |
| Mixed | 混合 | 中等 | 烘焙 + 实时物体混合 |
4.2 Shader 中采样反射探针
在 URP Shader 中，我们可以使用 GlossyEnvironmentReflection 或 SampleEnv 函数来采样反射探针：
cs
1// ============================================================
2// 反射探针 (Reflection Probe) 采样示例
3// 支持 Baked + Realtime 混合模式
4// ============================================================
5
6#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
7#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
8#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/UnityGlobalIllumination.hlsl"
9
10// ============================================================
11// 属性声明
12// ============================================================
13
14TEXTURE2D(_MainTex); SAMPLER(sampler_MainTex);
15TEXTURE2D(_MetallicGlossMap); SAMPLER(sampler_MetallicGlossMap);
16
17TEXTURECUBE(unity_SpecCube0); SAMPLER(samplerunity_SpecCube0);
18
19// Shader 属性
20float4 _MainTex_ST;
21float _Glossiness; // 光滑度 (0-1)
22float _Metallic; // 金属度 (0-1)
23
24// ============================================================
25// 片元着色器：反射探针采样
26// ============================================================
27
28float4 Fragment(Varyings input) : SV_Target {
29 // 采样基础纹理
30 float4 albedo = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv);
31 float4 metallicGloss = SAMPLE_TEXTURE2D(_MetallicGlossMap, sampler_MetallicGlossMap, input.uv);
32
33 float metallic = metallicGloss.r;
34 float smoothness = metallicGloss.a;
35
36 // 计算反射向量 (View Direction 的反射)
37 float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos- input.positionWS);
38 float3 reflectVec = reflect(-viewDir, input.normalWS);
39
40 // ========== 反射探针采样核心代码 ==========
41 float3 reflectionColor = float3(0.0);
42
43 // 采样反射探针 (unity_SpecCube0)
44 // 使用 GlossyEnvironmentReflection 进行采样
45 // 参数: 反射向量, 盒体投影中心, 盒体投影大小, 粗糙度
46 #if defined(REFLECTION_PROBE_PRIMARY)
47 // 烘焙反射探针 + 天空盒
48 reflectionColor = GlossyEnvironmentReflection(
49 reflectVec, // 反射向量
50 float3(0,0,0), // 盒体中心 (世界坐标)
51 float3(10,10,10), // 盒体大小
52 1.0 - smoothness // 粗糙度 (smoothness 反转)
53 );
54 #else
55 // 备选方案：直接采样天空盒
56 reflectionColor = SAMPLE_TEXTURECUBE(unity_SpecCube0, samplerunity_SpecCube0, reflectVec).rgb;
57 #endif
58
59 // 如果是 HDR 模式，需要解码
60 #if defined(USE_HDR)
61 reflectionColor = DecodeHDREnvironment(reflectionColor, unity_SpecCube0_HDR);
62 #endif
63
64 // ========== PBR 反射计算 (Fresnel-Schlick) ==========
65 float fresnel = saturate(1.0 - max(0, dot(input.normalWS, viewDir)));
66 fresnel = pow(fresnel, 5.0); // Schlick 近似
67
68 // 混合反射与基础色 (金属度控制)
69 float3 diffuse = albedo.rgb * (1 - metallic);
70 float3 specular = lerp(float30.04, albedo.rgb, metallic);
71
72 // 菲涅尔反射效果
73 float3 finalColor = lerp(diffuse, reflectionColor, fresnel * smoothness);
74 finalColor += specular * reflectionColor * smoothness;
75
76 return float4(finalColor, albedo.a);
77}
5. Shader 集成实战：完整示例
下面是一个完整的 URP 自定义 Shader 示例，整合了 Lightmap、光照探针和反射探针的所有功能：
cs
1// ============================================================
2// Unity URP 完整 GI 集成 Shader
3// 支持: Lightmap + Light Probe + Reflection Probe
4// ============================================================
5
6Shader "Custom/CompleteGI" {
7 // ============================================================
8 // Shader 属性块
9 // ============================================================
10 Properties {
11 [MainTexture] _MainTex ("Albedo", 2D) = "white" {}
12 [Color] _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
13 [Range(0,1)] _Metallic ("Metallic", Float) = 0.0
14 [Range(0,1)] _Smoothness ("Smoothness", Float) = 0.5
15 }
16
17 // ============================================================
18 // SubShader 定义 (URP)
19 // ============================================================
20 SubShader {
21 Tags {
22 "RenderType" = "Opaque"
23 "RenderPipeline" = "UniversalPipeline"
24 }
25
26 // ============================================================
27 // Pass 定义
28 // ============================================================
29 Pass {
30 Name "ForwardLit"
31 Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }
32
33 // ============================================================
34 // HLSL 代码块
35 // ============================================================
36 HLSLPROGRAM
37 // 声明顶点/片元函数
38 #pragma vertex Vertex
39 #pragma fragment Fragment
40
41 // 启用 GI 相关的 Shader 变体
42 #pragma multi_compile _ LIGHTMAP_ON
43 #pragma multi_compile _ DIRLIGHTMAP_ON
44 #pragma multi_compile _ _MAIN_LIGHT_SHADOWS
45 #pragma multi_compile _ _ADDITIONAL_LIGHTS
46 #pragma multi_compile _ _REFLECTION_PROBE
47
48 // 引入 URP 库
49 #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
50 #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
51 #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/GlobalIllumination.hlsl"
52
53 // ============================================================
54 // 变量声明
55 // ============================================================
56 TEXTURE2D(_MainTex); SAMPLER(sampler_MainTex);
57 float4 _MainTex_ST;
58 float4 _Color;
59 float _Metallic;
60 float _Smoothness;
61
62 // ============================================================
63 // 顶点/片元结构体 (同前)
64 // ============================================================
65 struct Attributes { float4 positionOS : POSITION; float3 normalOS : NORMAL; float2 uv : TEXCOORD0; float2 lightmapUV : TEXCOORD1; };
66 struct Varyings { float4 positionHCS : SV_POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; float3 positionWS : TEXCOORD1; float3 normalWS : TEXCOORD2; float2 lightmapUV : TEXCOORD3; };
67
68 // ============================================================
69 // 顶点着色器
70 // ============================================================
71 Varyings Vertex(Attributes input) {
72 Varyings output;
73 output.positionHCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS);
74 output.normalWS = TransformObjectToWorldNormal);
75 output.positionWS = TransformObjectToWorld(input.positionOS).xyz;
76 output.uv = TRANSFORM_TEX(input.uv, _MainTex);
77 output.lightmapUV = input.lightmapUV * unity_LightmapST.xy + unity_LightmapST.zw;
78 return output;
79 }
80
81 // ============================================================
82 // 片元着色器 - 完整 GI 集成
83 // ============================================================
84 float4 Fragment(Varyings input) : SV_Target {
85 // 1. 采样基础纹理
86 float4 albedo = SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv) * _Color;
87
88 // 2. 获取主光源
89 Light mainLight = GetMainLight();
90
91 // 3. Lightmap 采样 (静态物体)
92 float3 lightmapColor = float3(0);
93 #if defined(LIGHTMAP_ON)
94 lightmapColor = SAMPLE_TEXTURE2D(unity_Lightmap, samplerunity_Lightmap,
95 input.lightmapUV).rgb;
96 lightmapColor = DecodeLightmap(lightmapColor);
97 #endif
98
99 // 4. Light Probe 采样 (动态物体)
100 float3 lightProbeColor = SampleSH(input.normalWS);
101
102 // 5. Reflection Probe 采样
103 float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - input.positionWS);
104 float3 reflectVec = reflect(-viewDir, input.normalWS);
105 float3 reflectionColor = GlossyEnvironmentReflection(reflectVec, float3(0), float3(10), 1-_Smoothness);
106
107 // 6. 组合光照
108 float NdotL = max(0, dot(input.normalWS, mainLight.direction));
109 float3 directLight = mainLight.color * NdotL;
110 float3 giLight = lightmapColor + lightProbeColor; // GI = Lightmap + Light Probe
111
112 // 7. PBR 计算
113 float fresnel = pow(1-max(0,dot(input.normalWS,viewDir)),5);
114 float3 diffuse = albedo.rgb * (directLight + giLight);
115 float3 specular = lerp(float30.04, albedo.rgb, _Metallic);
116 float3 finalColor = diffuse + specular * reflectionColor * _Smoothness;
117
118 return float4(finalColor, albedo.a);
119 }
120 ENDHLSL
121 }
122 }
123}6. 最佳实践与性能优化
6.1 GI 组件选择指南
| 场景类型 | 推荐方案 | 理由 |
|---|---|---|
| 静态环境（建筑、关卡） | Lightmap | 最高质量，最低运行时开销 |
| 动态角色/玩家 | Light Probe | 支持移动，GI 效果自然 |
| 金属/玻璃材质 | Reflection Probe | 实时反射，环境逼真 |
| 开放世界 | Baked + Realtime 混合 | 平衡质量与性能 |
6.2 性能优化建议
- 合理设置探针密度 --- 光照探针不要设置过密，通常在光照变化明显的区域放置即可
- 使用 Reflection Probe 盒体投影 --- 减少探针数量，提高采样效率
- Lightmap 分辨率控制 --- 根据物体重要性设置不同的分辨率
- 减少 Realtime 探针 --- Realtime 反射探针开销大，谨慎使用
- 使用 GPU Instancing --- 相同材质的物体可以批量渲染
💡 URP 12.0+ 新特性：
URP 12.0 引入了对 Enlighten Realtime GI 的官方支持，可以在运行时动态更新光照，适合需要实时改变光源的场景。
6.3 常见问题排查
⚠️ Lightmap 不工作？
检查清单：
-
物体是否标记为 Static
-
Lighting Settings 是否启用 Baked GI
-
Mesh Renderer 是否开启 Receive Baked GI
-
是否执行了 Lightmapping Bake
⚠️ Light Probe 无效果？
检查清单：
-
场景中是否有光照探针
-
动态物体是否在探针包围盒内
-
Light Probe Group 是否启用