【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

光照衰减的基本原理

在物理正确的光照模型中，衰减需要遵循两个基本定律：

• ‌平方反比定律‌：光强与距离平方成反比 (I ∝ 1/r²)
• ‌余弦定律‌：表面接收的光强与入射角余弦成正比 (I ∝ cosθ)

经典兰伯特模型的衰减处理

标准兰伯特公式

KaTeX parse error: Expected 'EOF', got '漫' at position 1: 漫̲反射 = 表面颜色 * 表面反…

衰减实现分析

• ‌角度衰减‌：
  • ✅ 正确实现余弦定律
  • 通过 N·L 点积计算入射角衰减
  • 符合物理规律：光线入射角越大，光照强度越小
• ‌距离衰减‌：
  • ⚠️ ‌完全缺失距离衰减计算‌
  • 公式中没有包含光源距离®相关项
  • 光强不会随距离增加而减弱
  • 导致物理不准确性

Unity URP中的实现方案

距离衰减补偿机制

URP通过额外计算衰减因子来弥补兰伯特的不足：

hlsl
// URP光源获取函数 (Lighting.hlsl)
Light GetMainLight()
{
    Light light;
    light.direction = _MainLightPosition.xyz;

    // 距离衰减计算
    float distance = length(_WorldSpaceCameraPos - positionWS);
    light.distanceAttenuation = 1.0 / max(distance * distance, 0.01);

    light.color = _MainLightColor.rgb;
    return light;
}

// 主光源 漫反射计算
lightingData.mainLightColor += CalculateBlinnPhong(mainLight, inputData, surfaceData);

half3 CalculateBlinnPhong(Light light, InputData inputData, SurfaceData surfaceData)
{
// 这里通过颜色计算了光线衰减
    half3 attenuatedLightColor = light.color * (light.distanceAttenuation * light.shadowAttenuation);
    half3 lightDiffuseColor = LightingLambert(attenuatedLightColor, light.direction, inputData.normalWS);

    half3 lightSpecularColor = half3(0,0,0);
    #if defined(_SPECGLOSSMAP) || defined(_SPECULAR_COLOR)
    half smoothness = exp2(10 * surfaceData.smoothness + 1);

    lightSpecularColor += LightingSpecular(attenuatedLightColor, light.direction, inputData.normalWS, inputData.viewDirectionWS, half4(surfaceData.specular, 1), smoothness);
    #endif

#if _ALPHAPREMULTIPLY_ON
    return lightDiffuseColor * surfaceData.albedo * surfaceData.alpha + lightSpecularColor;
#else
    return lightDiffuseColor * surfaceData.albedo + lightSpecularColor;
#endif
}

URP衰减系统组成

‌光源类型处理‌：

• 平行光：无距离衰减 (1.0)
• 点光源：平方反比衰减 (1/r²)
• 聚光灯：角度衰减 × 距离衰减

‌优化策略‌：

• 使用预计算的衰减纹理
• 最大距离截断(light.range)
• 平滑过渡边缘处理

为什么经典兰伯特缺乏距离衰减

• ‌历史设计局限‌：
  • 早期计算机图形学简化模型
  • 源自环境固定的CAD渲染需求
  • 仅考虑局部表面光照
• ‌数学简化考量‌：
  • 减少每像素计算量
  • 避免昂贵的距离计算
  • 保持公式简洁性
• ‌艺术导向设计‌：
  • 允许美术师手动控制光照范围
  • 避免距离导致的过度变暗
  • 更适合风格化渲染

URP的实用解决方案

衰减校正技术

• ‌物理混合方案‌：

  hlsl
  half3 ApplyAttenuation(Light light, float3 positionWS)
  {
      // 基础平方反比衰减
      float dist = distance(light.position, positionWS);
      float atten = 1.0 / (dist * dist);
  
      // 范围平滑过渡
      float fade = saturate(1.0 - (dist / light.range));
      atten *= fade * fade;
  
      // 聚光灯角度衰减
      if(light.type == SPOT)
      {
          float3 toLight = normalize(light.position - positionWS);
          float spotFactor = dot(toLight, light.direction);
          atten *= smoothstep(light.outerAngle, light.innerAngle, spotFactor);
      }
  
      return saturate(atten * light.intensity);
  }
  

• ‌移动端优化版‌：

  hlsl
  half3 SimpleAttenuation(Light light, float3 positionWS)
  {
      // 使用预计算的衰减纹理
      float dist = distance(light.position, positionWS);
      float t = saturate(dist / light.range);
      half atten = SAMPLE_TEXTURE2D(_LightAttenuationTex, sampler_LinearClamp, float2(t, 0.5)).r;
      return atten * light.intensity;
  }
  

Unity编辑器中配置

csharp
// 光源组件属性设置
Light light = gameObject.AddComponent<Light>();
light.type = LightType.Point;
light.range = 10.0f;// 控制衰减范围
light.intensity = 1.0f;// 控制最大强度
light.color = Color.white;

结论与建议

核心结论

• ‌经典兰伯特模型自身不包含距离衰减‌，仅有角度衰减
• ‌URP通过外部衰减系统提供完整衰减支持‌，使经验模型实用化
• ‌现代实现已接近物理正确‌，但仍有可控的艺术化调整空间

开发实践建议

• ‌性能敏感场景‌：

  hls
  // 使用简化距离衰减
  float atten = saturate(1.0 - distance/range);
  

• ‌高品质渲染‌：

  hlsl
  // 物理精确衰减
  float atten = 1.0 / (distance * distance + 1e-5);
  

• ‌风格化渲染‌：

  hlsl
  // 自定义衰减曲线
  float atten = exp(-_Falloff * distance);
  

在URP中，虽然经典兰伯特模型本身不具备完整的物理衰减特性，但通过引擎层的光照系统补偿，开发者可以轻松实现物理正确的衰减效果，同时保留艺术控制自由度。这种分层设计正是现代渲染管线的实用智慧体现。

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