【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
$漫反射 = 表面颜色 * 表面反照率 * max(0, N·L)$
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(r)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_ONreturn lightDiffuseColor * surfaceData.albedo * surfaceData.alpha + lightSpecularColor;
#elsereturn 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
graph TDA[光源类型] --> B{平行光？}B -->|是| C[衰减=1.0]B -->|否| D{点光源？}D -->|是| E[1/r²计算]D -->|否| F[聚光灯衰减曲线]E --> G[距离截断]F --> GG --> H[平滑过渡]
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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