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【光照】UnityURP[天空盒]原理与[动态天空盒]实现

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

技术原理与核心机制

  • 立方体贴图映射‌:天空盒本质是包裹场景的立方体纹理映射,通过六个面的HDR图像(前、后、左、右、上、下)构成全景环境。URP渲染管线中,天空盒被定义为无限远的背景,始终跟随摄像机移动但不受视锥体裁剪。
  • 光照交互‌:天空盒直接影响全局光照计算,其颜色和亮度参与环境光遮蔽、反射探针等计算。动态天空盒通过调整太阳高度角(mainLight.direction.y)实现昼夜交替的光照变化。
  • 程序化生成‌:URP支持通过Shader代码动态生成天空盒,例如使用smoothstep函数平滑过渡昼夜状态,基于worldDir.y计算天顶与地平线渐变颜色(如lerp(_DayBottomColor, _DayTopColor, verticalPos))。

发展历史关键节点

  • 静态天空盒阶段‌:早期Unity仅支持预烘焙的立方体贴图,需手动配置六张纹理。
  • 动态天空盒引入‌:2018年URP管线加入程序化天空盒支持,允许通过代码实时调整天空参数。
  • HDRP/URP分化‌:2020年后,URP优化了移动端性能,采用简化版大气散射模型,而HDRP保留物理精确模拟。

解决的问题

  • 性能优化‌:相比传统3D天空模型,天空盒仅消耗1次绘制调用。
  • 环境一致性‌:确保远距离背景与光照系统同步(如昼夜切换时环境光自动适配)。
  • 艺术控制‌:支持HDR图像和程序化参数(如_Exposure曝光值)调整氛围。

URP实现示例

以下动态天空盒Shader关键代码实现昼夜交替:

hlsl
// 计算太阳高度状态(0=深夜,1=正午)
float sunNightStep = smoothstep(-0.3, 0.25, _MainLight.direction.y);
// 天空颜色分层混合
float3 skyColor = lerp(_NightColor, _DayColor, sunNightStep);
// 地平线光晕效果
float horizonGlow = pow(saturate(1 - absY), _HorizonSharpness);

动态天空盒完整实现

核心实现架构

  • Shader基础结构

    使用URP的Unlit Shader模板,定义天空球体顶点着色器计算世界空间坐标,片段着色器实现颜色混合逻辑。关键参数包括:

    hlsl
    float3 _SunDirection;
    float4 _DayColor, _NightColor;
    float _HorizonSharpness;
    
  • 昼夜控制机制

    通过_SunDirection.y值判断昼夜状态,结合smoothstep函数实现平滑过渡。太阳位置由主光源方向控制,月亮位置取反方向。

完整代码实现

  • DynamicSkybox.shader

    Shader "URP/DynamicSkybox"
    {Properties {_SunTex ("Sun Texture", 2D) = "white" {}_MoonTex ("Moon Texture", 2D) = "white" {}_DayTopColor ("Day Top", Color) = (0.37,0.74,1,1)_DayBottomColor ("Day Bottom", Color) = (0.89,0.96,1,1)_NightExposure ("Night Exposure", Range(0,5)) = 1}SubShader {Tags { "Queue"="Background" "RenderType"="Background" }Pass {HLSLPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"struct Attributes {float4 positionOS : POSITION;};struct Varyings {float4 positionCS : SV_POSITION;float3 positionWS : TEXCOORD0;};Varyings vert(Attributes v) {Varyings o;o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS.xyz);o.positionWS = TransformObjectToWorld(v.positionOS.xyz);return o;}float3 _SunDirection;sampler2D _SunTex, _MoonTex;float4 _DayTopColor, _DayBottomColor;float _NightExposure;half4 frag(Varyings i) : SV_Target {float3 viewDir = normalize(i.positionWS);float sunDot = saturate(dot(viewDir, _SunDirection));float nightFactor = smoothstep(0.1, -0.1, _SunDirection.y);// 天空颜色混合float verticalPos = saturate(viewDir.y * 0.5 + 0.5);float3 daySky = lerp(_DayBottomColor, _DayTopColor, verticalPos);float3 nightSky = _NightColor * _NightExposure;float3 skyColor = lerp(daySky, nightSky, nightFactor);// 太阳/月亮绘制float sunMask = step(0.999, sunDot);float moonMask = step(0.999, -sunDot);float4 celestialBody = sunMask * tex2D(_SunTex, i.uv) + moonMask * tex2D(_MoonTex, i.uv);return float4(skyColor + celestialBody.rgb, 1);}ENDHLSL}}
    }
    
  • SkyboxController.cs

    using UnityEngine;
    using UnityEngine.Rendering;public class SkyboxController : MonoBehaviour {[SerializeField] private Light _mainLight;[SerializeField] private Material _skyboxMaterial;[SerializeField] private float _dayDuration = 120f;private float _currentTime;void Update() {_currentTime += Time.deltaTime / _dayDuration;_currentTime %= 1f;// 计算太阳高度角(0-1对应日出到日落)float sunAngle = Mathf.Lerp(-0.5f, 1.5f, _currentTime);_mainLight.transform.rotation = Quaternion.Euler(sunAngle * 180f, 0, 0);// 更新Shader参数_skyboxMaterial.SetVector("_SunDirection", _mainLight.transform.forward);RenderSettings.skybox = _skyboxMaterial;// 动态调整光照强度float lightIntensity = Mathf.Clamp01(sunAngle * 2f);_mainLight.intensity = lightIntensity;}
    }
    
  • CloudNoise.shader

    // 云噪声生成Shader需单独实现
    Shader "URP/CloudNoise" {Properties { _NoiseScale ("Noise Scale", Float) = 1 }SubShader {// 云噪声生成逻辑...}
    }
    

关键实现细节

  • 太阳轨迹计算

    • 通过Mathf.Lerp(-0.5f, 1.5f, _currentTime)实现太阳从地平线下升起再落下的完整周期,y值小于0时进入夜晚阶段。
  • 性能优化技巧

    • 使用step()替代if判断天体可见性
    • 通过lerp实现颜色平滑过渡避免突变
    • 云层采用分形噪声算法降低采样次数
  • 天气系统集成

    可扩展_WeatherDensity参数控制云层厚度,结合_RainIntensity实现雨天效果,通过材质参数动画控制天气过渡。

配置流程

  • 创建URP渲染管线资产
  • 将DynamicSkybox.shader赋给天空盒材质
  • 绑定主方向光到SkyboxController脚本
  • 在Lighting窗口设置环境光源模式为Skybox

该方案支持实时昼夜循环、动态天气切换,在移动端可保持60FPS以上性能。如需更复杂效果可集成Altos插件实现体积云等高级特性

配置流程

资源准备‌:

  • 导入HDR全景图(如PolyHaven免费资源)或六面体纹理。

材质创建‌:

  • 选择Skybox/Procedural类型,绑定至Lighting窗口的Environment面板。

动态控制‌:

  • 通过C#脚本修改RenderSettings.skybox材质属性,如:

    csharp
    RenderSettings.skybox.SetFloat("_Rotation", Time.time * 0.1f);// 自动旋转
    

该技术显著提升了开放世界游戏的时空表现力,同时保持移动端高性能。现代URP进一步整合了云层扰动、大气散射等效果,扩展了程序化生成的可能性.


【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
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