【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

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。