Unity Shader URP：法线如何进行光照计算

在 URP 自定义光照里，法线不是一个“贴图颜色”，而是一个方向。它告诉 shader：这个像素表面朝向哪里。光照强不强，最核心的一步就是比较“表面朝向”和“光线方向”是否一致。

1. 法线到底是什么

法线 Normal 是垂直于表面的单位向量。假设一个面朝上，它的法线可能是 (0, 1, 0)；如果面朝右，法线可能接近 (1, 0, 0)。在光照计算中，法线通常记作 N。

方向光、点光源、聚光灯都会给当前像素一个光线方向，通常记作 L。URP 里我们最终会把 N 和 L 放到同一个坐标空间中，再用点乘计算漫反射强度。

法线 N、光照方向 L、视线方向 V 是 URP 光照计算的三个核心方向。

2. 为什么要做空间转换

模型网格里的法线通常来自模型空间，也叫 Object Space。可光源位置、相机位置、阴影等通常在世界空间或其他 URP 内部空间中处理。做光照时，最忌讳把不同空间的方向直接相乘。

URP 的常见路径是：顶点着色器读取模型空间法线 normalOS，用 TransformObjectToWorldNormal 转成世界空间法线 normalWS，再传给片元着色器参与光照。

自定义 URP 光照里，先把法线变到世界空间，再和世界空间的光线方向做运算。

struct Attributes
{
    float4 positionOS : POSITION;
    half3 normalOS   : NORMAL;
};

struct Varyings
{
    float4 positionHCS : SV_POSITION;
    half3 normalWS    : TEXCOORD0;
};

Varyings vert(Attributes IN)
{
    Varyings OUT;
    OUT.positionHCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);
    OUT.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(IN.normalOS);
    return OUT;
}

3. 漫反射：点乘决定亮不亮

最基础的漫反射是 Lambert 模型。它的核心只有一行：

half NdotL = saturate(dot(normalize(N), normalize(L)));

dot(N, L) 的结果范围是 -1 到 1。当法线正对光源时接近 1，表面最亮；当光从侧面擦过时接近 0；当光在背面时小于 0，通常用 saturate 截到 0。

NdotL 越大，漫反射越强；小于 0 的背面光照通常被截断。

half3 normalWS = normalize(IN.normalWS);
Light mainLight = GetMainLight();

half3 lightDirWS = normalize(mainLight.direction);
half NdotL = saturate(dot(normalWS, lightDirWS));

half3 diffuse = baseColor.rgb * mainLight.color * NdotL;

4. 高光：法线还要和视线一起算

漫反射只关心表面朝不朝向光。高光还关心观察者在哪里。Blinn-Phong 常用半角向量 H，它是光线方向 L 和视线方向 V 的折中方向。

half3 H = normalize(lightDirWS + viewDirWS);
half spec = pow(saturate(dot(normalWS, H)), smoothnessPower);

当法线 N 越接近半角向量 H，高光越强。smoothnessPower 越大，高光越小、越锐利；越小，高光越宽、越柔。

高光不是只看光，还要看相机。半角向量 H 越接近法线 N，高光越明显。

5. 法线贴图：把细节写进切线空间

模型顶点法线只能描述大形体。如果要让砖缝、皮革、金属划痕看起来有凹凸，就会使用法线贴图。法线贴图通常存储的是切线空间 Tangent Space 的法线。

切线空间由三个方向组成：切线 T、副切线 B、法线 N。shader 会采样法线贴图，把贴图里的方向从切线空间转换到世界空间，再参与同样的 dot(N, L) 和 dot(N, H) 计算。

法线贴图常在切线空间中表达方向，需要借助 TBN 矩阵变到世界空间。

// 顶点阶段需要提供 tangentWS、bitangentWS、normalWS。
half3 normalTS = UnpackNormal(SAMPLE_TEXTURE2D(_NormalMap, sampler_NormalMap, uv));

half3x3 tangentToWorld = half3x3(
    normalize(tangentWS),
    normalize(bitangentWS),
    normalize(normalWS)
);

half3 normalWS = normalize(mul(normalTS, tangentToWorld));

注意：如果模型有非等比缩放、镜像 UV、负缩放或错误的切线数据，法线贴图很容易出现“光照反了”“接缝发黑”的问题。排查时先显示世界空间法线颜色，再看 TBN 是否正确。

6. 一个最小 URP 自定义光照片元

下面这段代码展示了核心思路：包含 URP 的 Lighting.hlsl，取主光源，归一化法线，计算漫反射和简单高光。真实项目还会加入阴影、附加光、GI、雾效、PBR 参数等，但法线参与光照的骨架就是这些。

#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"

half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
{
    half3 baseColor = _BaseColor.rgb;

    half3 normalWS = normalize(IN.normalWS);
    half3 viewDirWS = normalize(GetWorldSpaceViewDir(IN.positionWS));

    Light mainLight = GetMainLight();
    half3 lightDirWS = normalize(mainLight.direction);

    half NdotL = saturate(dot(normalWS, lightDirWS));
    half3 diffuse = baseColor * mainLight.color * NdotL;

    half3 halfDirWS = normalize(lightDirWS + viewDirWS);
    half specTerm = pow(saturate(dot(normalWS, halfDirWS)), _SpecularPower);
    half3 specular = mainLight.color * specTerm * _SpecularColor.rgb;

    return half4(diffuse + specular, 1.0);
}

7. 调试法线：先把方向画出来

法线调试最直观的方法是把方向当颜色显示。因为法线分量范围是 -1..1，而颜色范围是 0..1，所以常用下面的映射：

half3 debugColor = normalize(normalWS) * 0.5 + 0.5;
return half4(debugColor, 1.0);

现象	常见原因	排查方向
模型转动后光照方向不对	模型空间法线直接拿去和世界空间光线点乘	确认使用 TransformObjectToWorldNormal
法线贴图左右反了	切线、副切线方向或 normal map 导入设置不匹配	检查 Tangent、UV 镜像、Normal Map 类型
高光碎裂或忽明忽暗	法线、视线、光线未归一化	在片元阶段重新 normalize
背面异常发亮	未使用 saturate 或双面法线处理不当	检查 NdotL、Cull、双面翻转逻辑

总结

URP 里法线参与光照计算，可以压缩成一句话：把法线转换到正确空间，归一化，然后用它和光线、视线方向做点乘。漫反射看 dot(N, L)，高光看 dot(N, H)，法线贴图则是在这个基础上替换成更细节的每像素法线。

只要记住“同空间、单位向量、点乘、截断”这四件事，大多数自定义光照问题就能被定位到很小的范围里。