【限时干货】Unity Shader入门实战：6小时掌握PBR材质与光照系统

第一章：Unity Shader与PBR光照系统概述

在现代实时渲染中，Unity的Shader系统与基于物理的渲染（PBR）模型共同构成了高质量视觉表现的核心。PBR通过模拟真实世界的光照行为，使材质在不同光照环境下呈现出一致且可信的外观。Unity内置的Standard Shader即基于PBR原理，支持金属度-平滑度工作流，能够精确响应环境光、直射光和反射信息。

Shader在Unity中的角色

Shader是运行在GPU上的小程序，用于定义像素的最终颜色。在Unity中，开发者可通过编写Shader控制表面着色、光照计算和后处理效果。常见的Shader类型包括Surface Shader、Vertex/Fragment Shader和Shader Graph可视化方案。

PBR光照核心参数

PBR材质依赖以下几个关键输入：

• Base Color：基础颜色，决定漫反射色调
• Metallic：金属度，0表示非金属，1表示纯金属
• Smoothness：平滑度，影响高光锐利程度
• Normal Map：法线贴图，增加表面细节

标准PBR光照计算示例

以下是一个简化版的PBR片段着色器逻辑，展示光照计算的基本结构：

float3 CalculatePBR(float3 normal, float3 viewDir, float3 lightDir, float3 baseColor, float metallic, float smoothness) {
    float3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
    float NdotL = max(dot(normal, lightDir), 0.0);
    float NdotH = max(dot(normal, halfDir), 0.0);

    // 简化的BRDF组合
    float3 diffuse = (1.0 - metallic) * baseColor / PI;
    float3 specular = pow(NdotH, smoothness * 100) * lerp(0.16, 1.0, metallic); 

    return (diffuse + specular) * NdotL;
}

该代码片段展示了如何根据输入参数计算基础PBR光照响应，其中金属度混合了漫反射与镜面反射贡献。

Unity中PBR材质工作流对比

工作流类型	主要纹理	适用场景
Metallic	Albedo, Metallic, Smoothness	通用，推荐使用
Specular	Albedo, Specular, Gloss	需要精细控制高光颜色

第二章：Unity Shader基础与渲染管线入门

2.1 理解ShaderLab语法与Unity着色器结构

ShaderLab是Unity中用于定义着色器的声明式语言，其核心结构围绕Shader、Properties、SubShader和Pass展开。

基本结构解析

一个典型的ShaderLab结构如下：

Shader "Custom/BasicColor" {
    Properties {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Tint", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader {
        Pass {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            ENDCG
        }
    }
}

其中，Properties块定义可在Inspector中调整的参数；SubShader包含一组渲染通道；每个Pass使用CGPROGRAM块嵌入HLSL代码，分别指定顶点（vertex）与片段（fragment）着色函数。

关键组件说明

• Shader：着色器入口，命名需唯一
• Properties：暴露给材质编辑器的可调参数
• CGPROGRAM：包裹实际GPU执行的着色代码

2.2 顶点与片元着色器编程实战

在图形渲染管线中，顶点与片元着色器是可编程阶段的核心组件。通过自定义GLSL代码，开发者能精确控制顶点变换与像素颜色输出。

基础着色器结构

// 顶点着色器
attribute vec3 aPosition;
void main() {
    gl_Position = vec4(aPosition, 1.0);
}

上述代码声明了一个顶点属性 aPosition，并在主函数中将其转换为齐次坐标。每个顶点调用一次，决定其在裁剪空间中的位置。

// 片元着色器
precision mediump float;
void main() {
    gl_FragColor = vec4(1.0, 0.0, 0.0, 1.0); // 红色
}

该片元着色器使用中等精度浮点数，输出固定红色。gl_FragColor 决定了当前像素的最终颜色。

数据传递流程

• 顶点数据从CPU上传至GPU顶点缓冲区
• 顶点着色器逐顶点处理位置信息
• 光栅化生成片元
• 片元着色器计算每个像素颜色

2.3 使用Properties控制材质参数交互

在材质系统中，通过定义Properties可实现用户与Shader之间的动态参数交互。这些属性会在材质面板中暴露为可调节的控件，便于实时调整视觉效果。

常用Property类型

• _Color：颜色属性，用于设置基础色调
• _MainTex：纹理贴图，支持UV映射
• _Glossiness：浮点型，控制高光强度

代码示例

Properties {
    _Color ("主色调", Color) = (1,1,1,1)
    _MainTex ("纹理贴图", 2D) = "white" {}
    _Smoothness ("平滑度", Range(0.0, 1.0)) = 0.5
}

上述代码定义了三个可交互属性。"_Color"声明了一个默认值为白色的颜色变量，在Inspector中将显示为拾色器；"_MainTex"指定一张2D纹理，默认使用白色占位图；"_Smoothness"通过Range限定取值范围，生成滑动条控件，便于精确调节表面光滑程度。这些属性随后可在Shader程序中被采样和计算，驱动渲染结果的动态变化。

2.4 深入理解渲染流程与Pass通道

在现代图形渲染管线中，Pass通道是组织绘制操作的核心单元。每个Pass定义了一组渲染状态、着色器程序和目标帧缓冲的绑定规则，用于完成特定阶段的渲染任务，如深度预处理、光照计算或后处理。

典型渲染Pass结构

• 状态设置：启用深度测试、混合模式等
• Shader绑定：指定顶点与片段着色器
• 目标缓冲：设定颜色/深度附件输出
• 绘制调用：执行实际的Draw命令

layout(binding = 0) uniform sampler2D gPosition;
layout(binding = 1) uniform sampler2D gNormal;
// G-Buffer纹理输入，用于延迟渲染中的Lighting Pass

上述代码展示了延迟渲染中光照Pass如何读取G-Buffer数据。通过绑定不同语义的纹理，实现对几何信息的复用，显著提升复杂光照场景的渲染效率。

多Pass数据流转

使用FBO（帧缓冲对象）作为中间结果存储，实现Pass间数据传递，构成渲染流水线。

2.5 实战：编写第一个支持光照的自定义Shader

理解Phong光照模型

在Unity中实现光照，通常基于Phong模型，包含环境光、漫反射和高光反射三部分。通过顶点着色器计算光照方向与法线的夹角，片段着色器混合最终颜色。

编写基础光照Shader

Shader "Custom/LitShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Tint", Color) = (1,1,1,1)
        _Specular ("Specular Intensity", Range(1, 64)) = 8
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;
                float3 worldPos : TEXCOORD2;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;
            float4 _Color;
            float _Specular;

            v2f vert (appdata_base v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float3 normalDir = normalize(i.worldNormal);
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.worldPos);

                // 漫反射
                float NdotL = max(0, dot(normalDir, lightDir));
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * NdotL;

                // 高光
                float3 reflectDir = reflect(-lightDir, normalDir);
                float RdotV = max(0, dot(reflectDir, viewDir));
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * pow(RdotV, _Specular);

                fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return fixed4((diffuse + specular) * texColor.rgb * _Color.rgb, texColor.a);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

该Shader引入了标准光照变量（如_WorldSpaceLightPos0和_LightColor0），并在片段着色器中计算漫反射与高光分量，最终叠加纹理与颜色输出。

第三章：物理渲染（PBR）核心理论解析

3.1 PBR原理与BRDF光照模型详解

基于物理的渲染（PBR）通过模拟真实世界中光线与材质的交互，提升画面真实感。其核心依赖于BRDF（双向反射分布函数），描述入射光在表面的反射行为。

BRDF基本形式

理想的BRDF需满足能量守恒与赫姆霍兹互易性。Cook-Torrance模型广泛用于微表面理论：

// Cook-Torrance BRDF 分解
float DistributionGGX(float NdotH, float roughness) {
    float a = roughness * roughness;
    float a2 = a * a;
    float NH2 = NdotH * NdotH;
    float numerator = a2;
    float denominator = NH2 * (a2 - 1.0) + 1.0;
    denominator = PI * denominator * denominator;
    return numerator / max(denominator, 0.001);
}

该代码计算法线分布函数（Trowbridge-Reitz/GGX），参数NdotH为法线与半程向量的点积，roughness控制表面粗糙度，值越大高光越扩散。

PBR光照组成

PBR将反射分为镜面与漫反射两部分，常用近似如下：

• 法线分布函数（D）：描述微表面朝向分布
• 几何函数（G）：衡量微表面自阴影效应
• 菲涅尔项（F）：决定不同入射角下的反射率

3.2 金属度-粗糙度工作流深入剖析

在基于物理的渲染（PBR）中，金属度-粗糙度工作流通过材质参数精确模拟表面光学特性。该工作流依赖两个核心参数：金属度（Metallic）与粗糙度（Roughness），分别控制表面是金属还是非金属，以及微观几何的光滑程度。

材质参数解析

• 金属度：值为0表示电介质（如塑料、木材），1表示纯金属；中间值用于混合材质。
• 粗糙度：值越小表面越光滑，高光越锐利；值越大则漫反射增强，呈现磨砂质感。

典型着色器输入结构

struct SurfaceInput {
    vec3 albedo;      // 基础反照率
    float metallic;   // 金属度 [0,1]
    float roughness;  // 粗糙度 [0,1]
    vec3 normal;      // 法线方向
};

上述结构定义了PBR材质的基本输入。albedo代表非金属材质的颜色，而金属表面则直接使用albedo作为镜面反射颜色，符合能量守恒原则。

3.3 法线贴图与材质细节增强技术

法线贴图的基本原理

法线贴图通过改变像素的表面法线方向，模拟凹凸细节，而无需增加几何复杂度。每个像素的RGB值对应XYZ法线分量，通常以切线空间存储。

实现示例：GLSL中的法线贴图采样

// 片段着色器中采样法线贴图
vec3 GetNormalFromMap() {
    vec3 tangentNormal = texture(normalMap, TexCoords).xyz * 2.0 - 1.0;
    vec3 Q1 = dFdx(worldPos);
    vec3 Q2 = dFdy(worldPos);
    vec2 st1 = dFdx(TexCoords);
    vec2 st2 = dFdy(TexCoords);
    vec3 N = normalize(cross(Q1, Q2));
    vec3 T = normalize(Q1 * st2.t - Q2 * st1.t);
    vec3 B = -normalize(cross(N, T));
    mat3 TBN = mat3(T, B, N);
    return normalize(TBN * tangentNormal);
}

上述代码将切线空间法线转换到世界空间。tangentNormal从纹理解码后映射到[-1,1]，TBN矩阵用于坐标空间变换，确保光照计算正确。

材质细节增强策略

• 结合高光贴图与粗糙度贴图，提升材质真实感
• 使用视差遮蔽映射（Parallax Occlusion Mapping）增强深度感知
• 多层材质混合，实现地面、墙面等复杂表面细节

第四章：Unity中实现高质量PBR材质

4.1 基于Standard Shader扩展定制PBR材质

在Unity中，Standard Shader为物理渲染（PBR）提供了坚实基础。通过ShaderLab与CGPROGRAM的结合，开发者可在此基础上扩展自定义光照模型与材质属性。

扩展光照模型

可通过重写Surface函数实现个性化光照响应。例如，添加边缘光增强视觉层次：

#pragma surface surf StandardCustom fullforwardshadows
half4 LightingStandardCustom(SurfaceOutputStandard s, half3 viewDir, UnityGI gi) {
    half rim = 1.0 - saturate(dot(s.Normal, viewDir));
    half rimLight = pow(rim, 3.0);
    s.Emission += _RimColor.rgb * rimLight * _RimStrength;
    return LightingStandard(s, viewDir, gi);
}

上述代码中，rim计算视角与法线夹角，_RimColor和_RimStrength为外部可调参数，实现可控边缘发光效果。

材质参数控制

使用Properties块暴露参数，便于美术调整：

• _Roughness：控制表面粗糙度
• _Metallic：定义金属度
• _RimColor：边缘光颜色

4.2 利用Shader Graph可视化创建PBR节点网络

可视化着色器编辑的工作流优势

Shader Graph 提供直观的节点式界面，使开发者无需编写复杂 HLSL 代码即可构建基于物理渲染（PBR）的材质。通过拖拽节点连接输入与输出，实现法线、粗糙度、金属度等参数的动态调控。

PBR核心节点构成

主要包含以下输入节点：

• Base Color：定义表面基础颜色
• Metallic：控制材质金属属性（0 非金属，1 全金属）
• Smoothness：影响高光反射强度
• Normal：接入法线贴图增强细节

// Shader Graph 自动生成的 HLSL 片段示例
float4 baseColor = tex2D(BaseColorTex, uv);
float metallic = tex2D(MetallicTex, uv).r;
float smoothness = tex2D(SmoothnessTex, uv).g;

上述代码由节点图自动编译生成，其中纹理采样值被映射至标准PBR输入通道，确保符合光照模型计算规范。

实时预览与调试

纹理输入 → 节点处理 → PBR Master 节点 → 实时材质输出

4.3 环境光遮蔽与反射探针的整合应用

在现代实时渲染管线中，环境光遮蔽（AO）与反射探针的协同使用显著提升了场景的真实感。通过将SSAO或HBAO与立方体反射探针结合，可在保持性能的同时增强表面接触阴影与镜面反射的一致性。

数据同步机制

为确保动态物体与静态环境的光照一致性，反射探针需采样包含AO信息的G-Buffer。常用做法是在着色器中融合屏幕空间AO与探针预过滤的辐射度数据：

float3 ApplyAOProcessing(float3 reflectionColor, float aoValue) {
    // 将环境光遮蔽衰减应用于反射结果
    return reflectionColor * lerp(1.0, aoValue, g_AOStrength);
}

上述代码中，aoValue来自屏幕空间AO缓冲，g_AOStrength控制遮蔽强度，实现软性衰减，避免过度变暗。

性能优化策略

• 对远距离探针降低AO采样分辨率
• 使用级联探针布局，按视距混合AO权重
• 在材质层面支持AO反射开关，适配移动平台

4.4 性能优化：移动端PBR材质调优策略

在移动端实现物理渲染（PBR）时，需平衡视觉质量与性能开销。首要策略是降低纹理分辨率，使用ASTC或ETC2压缩格式减少GPU带宽占用。

材质参数精简

移除非必要通道（如冗余的AO贴图），合并法线与粗糙度至同一纹理，提升采样效率：

// 合并粗糙度和金属度到RG通道
vec2 rm = texture(rmTexture, uv).rg;
float roughness = rm.r;
float metallic = rm.g;

该方式减少纹理绑定数量，避免多次采样开销，显著提升Shader执行效率。

动态LOD与精度控制

• 根据屏幕空间尺寸切换材质细节层级（LOD）
• 禁用不必要的高精度浮点运算（如片段着色器中使用mediump替代highp）

通过上述手段，可在保持PBR真实感的同时，将渲染帧耗时降低30%以上。

第五章：从入门到进阶的学习路径建议

构建坚实的基础知识体系

初学者应优先掌握编程基础，如变量、控制结构与函数。以 Go 语言为例，理解其简洁的语法和并发模型是迈向高阶开发的关键：

package main

import "fmt"

func main() {
    // 启动一个 goroutine 并发执行
    go func() {
        fmt.Println("并发任务执行中")
    }()
    fmt.Println("主任务继续")
}

实践驱动学习进程

通过项目实战巩固理论知识。建议按阶段递增复杂度：

• 第一阶段：实现命令行工具（如文件批量重命名）
• 第二阶段：开发 RESTful API 服务
• 第三阶段：集成数据库与缓存，构建完整后端系统

参与开源与代码审查

加入 GitHub 上活跃的开源项目，例如 Kubernetes 或 Prometheus，不仅能学习工业级代码结构，还能通过 Pull Request 接受资深开发者反馈。定期阅读优秀项目的提交记录，分析其问题解决思路。

系统性技能提升路径

阶段	核心目标	推荐资源
入门	掌握语法与基本工具链	Go 官方 Tour、LeetCode 简单题
进阶	理解设计模式与系统架构	《Designing Data-Intensive Applications》
高阶	性能调优与分布式系统实践	Go Profiling 指南、Kubernetes 源码