【光照】[漫反射diffuse]以UnityURP为例

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【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

$Cdiffuse=(Clight*Mdiffuse)max(0,n·I）$

/* by 01130.hk - online tools website : 01130.hk/zh/calculator.html */
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

/* by 01130.hk - online tools website : 01130.hk/zh/calculator.html */
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;
}