菲涅尔边缘光 - Unity URP Shader 实现与在线预览（案例 18.4）· URP 渲染实战

案例 18.4菲涅尔边缘光入门

目标：让物体轮廓处出现一圈亮边。这是“被选中高亮”“能量体”“背光轮廓”最常用的手法，也是本章后面全息、护盾、冰面的组成部分。

原理：轮廓处 N·V 趋近于 0

在第 9 章我们讲过真实的菲涅尔效应：光以掠射角照到表面时，反射率会急剧升高。Schlick 近似写作

F = F_{0} + (1 - F_{0}) {(1 - N \cdot V)}^{5}

特效里的“菲涅尔”借用的是它的形状，而不是物理含义：从相机看过去，物体正对你的地方法线 N 与视线方向 V 几乎平行，N·V≈1；越靠近轮廓，表面越“侧”过去，N·V 越接近 0。所以 pow(1 − N·V, power) 在中间是 0、在轮廓处是 1，天然就是一圈“轮廓遮罩”。指数 power 控制这圈有多宽：power 越大，亮边越窄越锐利。

图 18-6左：球面上不同位置的 N·V；右：rim = (1−N·V)^power 随 N·V 的变化，power 越大，只有越靠近轮廓的地方才亮。

Assets/Cookbook/Ch18/Ch18Common.hlsl（节选：fresnel）

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// 经验菲涅尔：视线与法线越垂直（轮廓处）值越大。power 越大，亮边越窄。
half FresnelRim(half3 normalWS, half3 viewWS, half power)
{
    return pow(1.0h - saturate(dot(normalWS, viewWS)), power);
}

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// 经验菲涅尔：视线与法线越垂直（轮廓处）值越大。power 越大，亮边越窄。
float FresnelRim(vec3 normalWS, vec3 viewWS, float power)
{
    return pow(1.0 - saturate(dot(normalWS, viewWS)), power);
}

边缘光叠加在正常光照之上。一个常见的改进是只在“背光侧”显示边缘光：受光面已经够亮了，再加亮边会发白；背光面加一圈亮边，正好勾出轮廓，这就是影视布光里的“轮廓光（Rim Light）”。实现上用主光方向的 N·L 做一个遮罩：

Assets/Cookbook/Ch18/FresnelRim.shader（节选：frag）

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half4 frag(Varyings i) : SV_Target
{
    half3 normalWS = normalize(i.normalWS);
    half3 viewWS = GetWorldSpaceNormalizeViewDir(i.positionWS);
    half3 color = SimpleLighting(_BaseColor.rgb, i.positionWS, normalWS, _Smoothness);

    half rim = FresnelRim(normalWS, viewWS, _RimPower);
    // 可选：只在背光一侧显示亮边（经典的“轮廓光”打法），受光侧交给正常光照
    half NdotL = dot(normalWS, GetMainLight().direction);
    half lightMask = lerp(1.0h, smoothstep(0.2h, -0.4h, NdotL), _RimLightMask);
    color += _RimColor.rgb * rim * _RimIntensity * lightMask;
    return half4(color, 1);
}

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void main()
{
    vec3 N = normalize(normalWS);
    vec3 viewWS = GetWorldSpaceNormalizeViewDir(positionWS);
    vec3 color = SimpleLighting(_BaseColor.rgb, positionWS, N, _Smoothness);

    float rim = FresnelRim(N, viewWS, _RimPower);
    // 可选：只在背光一侧显示亮边（经典的“轮廓光”打法），受光侧交给正常光照
    float NdotL = dot(N, GetMainLight().direction);
    float lightMask = mix(1.0, smoothstep(0.2, -0.4, NdotL), _RimLightMask);
    color += _RimColor.rgb * rim * _RimIntensity * lightMask;
    fragColor = vec4(color, 1.0);
}

**图 18-7**菲涅尔边缘光的指数，从左到右 power = 1、2、4、8。power=1 时几乎整个球都在发光，power=8 时只剩细细一圈。

**图 18-8**光从右侧低角度照来。左：边缘光一圈都有；右：用 N·L 遮罩后只保留背光（左侧）的轮廓光，受光侧交给正常光照。

常见坑

平面没有轮廓：一块平板的法线处处相同，N·V 只随视角整体变化，边缘光会“整块亮起来”或者“整块消失”。菲涅尔边缘光只适合有曲率的模型；硬边的箱子可以用法线贴图、或者改用后处理描边（第 26 章）。
法线没有归一化：顶点插值后的法线长度小于 1，N·V 偏小，边缘光整体偏亮。片元里先 normalize。
和法线贴图配合：用扰动后的法线算菲涅尔，亮边会出现细碎的纹理，有时正是想要的效果（比如冰面）；想要干净的轮廓就用几何法线。
Shader 结构：这个 Shader 的 ShadowCaster/DepthOnly 没有用 UsePass "Universal Render Pipeline/Lit/ShadowCaster" 偷懒。UsePass 借来的 Pass 带着 Lit 自己的 UnityPerMaterial，与本 Shader 的 CBUFFER 不一致，会让材质失去 SRP Batcher 兼容性。本章把无顶点动画的阴影/深度 Pass 写成公共文件 Ch18ShadowPass.hlsl，CBUFFER 放在 SubShader 级的 HLSLINCLUDE 里，所有 Pass 自动共享同一份声明。

Assets/Cookbook/Ch18/Ch18ShadowPass.hlsl

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// 本章不透明 Shader 共用的 ShadowCaster / DepthOnly 顶点与片元函数（无顶点动画、无裁剪）。
// 用法：在 SubShader 的 HLSLINCLUDE 里声明好 UnityPerMaterial，各 Pass 再 include 本文件。
// 这样所有 Pass 的 CBUFFER 完全一致，SRP Batcher 兼容；而 UsePass 借用 Lit 的 Pass 会带来
// 另一套 UnityPerMaterial，导致材质不兼容 SRP Batcher。
#ifndef COOKBOOK_CH18_SHADOW_PASS_INCLUDED
#define COOKBOOK_CH18_SHADOW_PASS_INCLUDED

#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
// Shadows.hlsl 用到 CommonMaterial.hlsl 里的 LerpWhiteTo，URP 的 Lit 是经由 LitInput 间接包含的
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/CommonMaterial.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Shadows.hlsl"

float3 _LightDirection;
float3 _LightPosition;

struct ShadowAttributes { float4 positionOS : POSITION; float3 normalOS : NORMAL; };
struct ShadowVaryings  { float4 positionCS : SV_POSITION; };

ShadowVaryings ShadowVert(ShadowAttributes v)
{
    ShadowVaryings o;
    float3 positionWS = TransformObjectToWorld(v.positionOS.xyz);
    float3 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(v.normalOS);
#if _CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW
    float3 lightDirWS = normalize(_LightPosition - positionWS);
#else
    float3 lightDirWS = _LightDirection;
#endif
    o.positionCS = TransformWorldToHClip(ApplyShadowBias(positionWS, normalWS, lightDirWS));
#if UNITY_REVERSED_Z
    o.positionCS.z = min(o.positionCS.z, UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
#else
    o.positionCS.z = max(o.positionCS.z, UNITY_NEAR_CLIP_VALUE);
#endif
    return o;
}

half4 ShadowFrag(ShadowVaryings i) : SV_Target { return 0; }

ShadowVaryings DepthVert(ShadowAttributes v)
{
    ShadowVaryings o;
    o.positionCS = TransformObjectToHClip(v.positionOS.xyz);
    return o;
}

half4 DepthFrag(ShadowVaryings i) : SV_Target { return i.positionCS.z; }

#endif

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// 本章不透明 Shader 共用的 ShadowCaster / DepthOnly 顶点与片元函数（无顶点动画、无裁剪）。（GLSL 版，对应 Ch18ShadowPass.hlsl）
// 用法：在 Pass 的 GLSLPROGRAM 里先 #define SHADOW_PASS 或 DEPTH_PASS，再 #include 本文件。
// HLSL 版强调所有 Pass 的 CBUFFER 一致（SRP Batcher）；WebGL 没有这个概念，这里只保留顶点/片元逻辑。
// _LightDirection / _LightPosition 由引擎在画阴影前设置（Lighting.glsl 里已声明）。

#ifdef SHADOW_PASS
#ifdef VERTEX
void main()
{
    vec3 positionWS = TransformObjectToWorld(positionOS.xyz);
    vec3 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(normalOS);
    // _CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW 在 GLSL 版里是个 uniform
    vec3 lightDirWS = _CastingPunctualLightShadow > 0.5 ? normalize(_LightPosition - positionWS) : _LightDirection;
    vec4 positionCS = TransformWorldToHClip(ApplyShadowBias(positionWS, normalWS, lightDirWS));
    // WebGL 深度不反转（UNITY_REVERSED_Z = 0），走 max 分支
    positionCS.z = max(positionCS.z, UNITY_NEAR_CLIP_VALUE * positionCS.w);
    gl_Position = positionCS;
}
#endif
#ifdef FRAGMENT
void main() { fragColor = vec4(0.0); }
#endif
#endif

#ifdef DEPTH_PASS
#ifdef VERTEX
void main() { gl_Position = TransformObjectToHClip(positionOS.xyz); }
#endif
#ifdef FRAGMENT
void main() { fragColor = vec4(gl_FragCoord.z); }
#endif
#endif

本案例出自《URP 渲染实战》第 18 章「溶解、全息与护盾」。在章节中阅读上下文 →

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