Unity Shader 逐像素光照 vs 逐顶点光照性能与画质的权衡策略

渲染管线基础：光照计算在哪发生？

在实时渲染中，计算物体表面在光线照射下呈现的颜色，本质上是对 光照方程（Lighting Equation） 的求解。这个方程需要三类信息：光源方向与强度、表面法线方向、以及材质属性（漫反射、高光、粗糙度等）。关键的问题不是"算什么"，而是"在哪个阶段算，算多少次"。

逐顶点光照在 Vertex Shader 阶段完成光照计算，每个顶点算一次，然后在光栅化时通过插值传递给像素。逐像素光照则将计算推迟到 Fragment Shader，每个屏幕像素独立计算一次。两者之间的选择，直接决定了计算量的数量级差异。

💡 关键洞察一个 1080p 的屏幕有约 200 万个像素，而一个中等复杂度的 3D 网格可能只有几千个顶点。这意味着逐像素光照的计算量可能是逐顶点的数百倍。

逐顶点光照：速度优先的古典方案

逐顶点光照（Per-Vertex Lighting，也称 Gouraud Shading）是渲染史上最经典的光照方案之一。其核心思路是：在顶点着色器中完成完整的光照计算，得到每个顶点的最终颜色，再由 GPU 自动在三角形内部进行线性插值。

核心实现原理

// 逐顶点光照 Vertex Shader (URP)
Varyings vert(Attributes input)
{
    Varyings output;
    // 将法线变换到世界空间
    float3 worldNormal = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS);
    float3 worldPos    = TransformObjectToWorld(input.positionOS.xyz);
    
    // 在顶点阶段完成光照计算
    Light mainLight = GetMainLight();
    float  NdotL     = saturate(dot(worldNormal, mainLight.direction));
    
    // Blinn-Phong 高光（顶点级）
    float3 viewDir   = normalize(_WorldSpaceCameraPos - worldPos);
    float3 halfVec   = normalize(mainLight.direction + viewDir);
    float  NdotH     = saturate(dot(worldNormal, halfVec));
    float  specular  = pow(NdotH, 32.0);  // 高光在顶点计算
    
    // 最终颜色写入 varying，由光栅化器插值
    output.color = NdotL * mainLight.color + specular;
    output.positionCS = TransformWorldToHClip(worldPos);
    return output;
}
half4 frag(Varyings input) : SV_Target
{
    // Fragment 只做颜色乘法，无光照计算
    return half4(input.color * _BaseColor.rgb, 1.0);
}

优势与局限

顶点着色器的执行次数等于网格的顶点数，对于低多边形模型（数百到数千个顶点）而言计算量极小。然而，线性插值天然无法重现高光（Specular）在像素级的尖锐变化：当高光的最亮点恰好落在三角形内部而非顶点上时，逐顶点方案会完全丢失它。

⚠ 经典缺陷Gouraud Shading 的"阿喀琉斯之踵"：高频高光（如 Blinn-Phong 的 Shininess > 32）几乎必定产生严重失真。即便顶点密度足够高，在 Specular 强烈区域仍可能出现马赫带（Mach Band）现象。

逐像素光照：精度至上的现代方案

逐像素光照（Per-Pixel Lighting，也称 Phong Shading）将光照计算从顶点着色器移至片元着色器。每个屏幕像素拥有独立的法线（从顶点插值而来，或从法线贴图采样），独立计算完整光照方程。这是现代游戏渲染管线的基础。

URP Lit Shader 核心片段

// 逐像素光照 Fragment Shader (URP)
half4 frag(Varyings input) : SV_Target
{
    // 从法线贴图重建像素法线（TBN 空间→世界空间）
    half3 normalTS = UnpackNormal(SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalMap, sampler_NormalMap, input.uv));
    half3 worldNormal = TransformTangentToWorld(normalTS,
                         half3x3(input.tangent, input.bitangent, input.normal));
    worldNormal = normalize(worldNormal);
    
    // 主光源（每像素重新计算）
    Light mainLight = GetMainLight(input.shadowCoord);
    half  NdotL     = saturate(dot(worldNormal, mainLight.direction));
    
    // 精确的像素级 Blinn-Phong 高光
    half3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - input.worldPos);
    half3 halfVec = normalize(mainLight.direction + viewDir);
    half  NdotH   = saturate(dot(worldNormal, halfVec));
    half  spec    = pow(NdotH, _Shininess) * _SpecularStrength;
    
    // 附加光源循环（逐像素多光源）
    half3 additionalLight = 0;
    int count = GetAdditionalLightsCount();
    LIGHT_LOOP_BEGIN(count)
        Light light = GetAdditionalLight(lightIndex, input.worldPos);
        additionalLight += LightingLambert(light.color, light.direction, worldNormal)
                         * light.distanceAttenuation;
    LIGHT_LOOP_END
    
    half3 albedo  = SAMPLE_TEXTURE2D(_BaseMap, sampler_BaseMap, input.uv).rgb;
    half3 diffuse = NdotL * mainLight.color * mainLight.shadowAttenuation;
    return half4((diffuse + additionalLight + spec) * albedo, 1.0);
}

法线贴图：逐像素的真正威力

单纯将光照计算移到片元着色器只是逐像素光照的第一步。配合法线贴图（Normal Map）后，每个像素可以拥有与几何体网格完全不同的法线方向，从而在低多边形模型上模拟出高多边形的表面细节。这是逐顶点光照在结构上无法实现的能力。

画质差异的直观对比

下图通过 Canvas 实时渲染，展示同一球体在逐顶点光照与逐像素光照下的视觉差异。注意高光区域的锐利程度与边缘过渡。

量化画质对比

维度	逐顶点光照	逐像素光照
高光质量	插值模糊，低顶点密度下严重失真 差	精确锐利，可支持任意 Shininess 优
法线贴图	不支持（顶点无像素级细节） 不支持	完整支持，表面细节丰富 支持
低多边形模型	三角形面感明显，色带现象 差	即使低模也能呈现平滑光照 优
阴影边缘	粗糙，受顶点分布影响 一般	像素精度，边缘平滑 优
远处物体	视觉差异不明显 可接受	效果相同但消耗更多 浪费

性能分析：GPU 侧的真实代价

性能差异并非简单的"顶点数 vs 像素数"，还涉及着色器复杂度、带宽占用、GPU 架构特性等多个维度。以下是在典型移动端 GPU（Adreno 650）上的实测对比数据（相同场景，1080p）：

URP 中的光源数量影响

在 URP 的 Forward Rendering 路径下，每增加一盏动态附加光（Additional Light），逐像素方案的 Fragment Shader 复杂度呈线性增长。而逐顶点方案的增长幅度则取决于顶点密度，往往远低于像素密度。

// URP Asset 关键设置（ProjectSettings/URPAsset.asset） 2m_MainLightRenderingMode: 1          // 1=逐像素, 0=逐顶点 3m_AdditionalLightsRenderingMode: 1   // 1=逐像素, 0=逐顶点 4m_AdditionalLightsPerObjectLimit: 4  // 每物体最多4盏附加光 5m_SupportsVertexLight: 1             // 启用顶点光照支持 6m_SupportsMixedLighting: 1           // 混合光照模式 7m_RenderingMode: 0                   // 0=Forward, 1=Deferred

🔴 移动端陷阱在 Mali / Adreno 等移动端 GPU 上，Fragment Shader 的 ALU 并行度较低。当多盏逐像素附加光同时影响一个像素时，分支发散（Shader Branching）会导致 GPU 的 SIMD 效率骤降，实际耗时可能远超线性增长的预期。

URP 中的实战配置

Unity URP 通过 Material 的 Shader 属性和 Render Pipeline Asset 共同控制光照模式。理解配置层级对优化至关重要。

Material 层级：Shader 中的光照模式声明

Shader "Custom/PerPixelLit"
{
    Properties { /* ... */ }
    SubShader
    {
        // URP 通用标签
        Tags {
            "RenderType"        = "Opaque"
            "RenderPipeline"    = "UniversalPipeline"
            "UniversalMaterialType" = "Lit"
        }
        
        Pass
        {
            Name "ForwardLit"
            Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }
            
            #pragma vertex   vert
            #pragma fragment frag
            
            // 关键 multi_compile：控制附加光照模式
            #pragma multi_compile _ _ADDITIONAL_LIGHTS_VERTEX _ADDITIONAL_LIGHTS
            //                                ↑顶点光照变体      ↑像素光照变体
            
            #pragma multi_compile _ _MAIN_LIGHT_SHADOWS
            #pragma multi_compile _ _SHADOWS_SOFT
            
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
            #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
            
            // HLSL 实现见上方示例...
        }
    }
}

运行时动态切换（LOD 联动）

对于大场景中的远景物体，可以通过脚本将其材质切换为逐顶点光照变体，结合 LOD Group 实现性能自适应：

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering;
using UnityEngine.Rendering.Universal;
/// <summary>
/// 根据相机距离动态切换光照模式变体
/// </summary>
public class LightingLODController : MonoBehaviour
{
    public Material[] materials;
    public float    pixelLightMaxDist = 30f;
    public float    vertexLightDist   = 60f;
    
    private static readonly int kAdditionalLights =
        Shader.PropertyToID("_ADDITIONAL_LIGHTS");
    
    void Update()
    {
        float dist = Vector3.Distance(
            transform.position, Camera.main.transform.position);
        
        foreach (var mat in materials)
        {
            if (dist < pixelLightMaxDist)
            {
                // 近景：逐像素附加光
                mat.EnableKeyword("_ADDITIONAL_LIGHTS");
                mat.DisableKeyword("_ADDITIONAL_LIGHTS_VERTEX");
            }
            else if (dist < vertexLightDist)
            {
                // 中景：逐顶点附加光
                mat.DisableKeyword("_ADDITIONAL_LIGHTS");
                mat.EnableKeyword("_ADDITIONAL_LIGHTS_VERTEX");
            }
            else
            {
                // 远景：禁用附加光，仅保留主光源
                mat.DisableKeyword("_ADDITIONAL_LIGHTS");
                mat.DisableKeyword("_ADDITIONAL_LIGHTS_VERTEX");
            }
        }
    }
}

权衡策略：如何做出正确选择

没有绝对的"最优解"，只有最适合当前约束条件的方案。以下是针对不同场景的策略矩阵：

决策流程图

总结：选择的本质是什么？

逐像素光照是现代渲染管线的基石，它以更高的 Fragment 开销换取像素级精度，支撑起法线贴图、精确高光、物理正确光照等一切现代视觉特性。逐顶点光照则是一种有意识的性能妥协，在顶点密度远低于像素密度的场景下，用可接受的视觉代价换取显著的性能收益。

真正的优化不是非此即彼，而是在正确的位置、正确的时机，使用正确的精度。将 LOD 系统、烘焙光照、材质变体和运行时动态切换结合起来，才是 Unity URP 下光照优化的最终形态。

🎯 最终建议使用 Unity 的 GPU Profiler 和 Frame Debugger 定期采样，找到真正的瓶颈。不要凭直觉优化——在实测数据出现之前，一切判断都只是假设。