URP 渲染实战 / 第 5 章 经典光照模型 / 案例 5.1
案例 5.1Lambert 漫反射入门
目标：写出 URP 里最简单的“受光” Shader——主光源的 Lambert 漫反射加球谐环境光，并理解那个无处不在的 N·L 到底是怎么来的。
原理：余弦定律
想象一束截面积为 A 的平行光。光束正对表面时，它照亮的面积就是 A；表面倾斜 θ 角后，同一束光被摊在 A / cos θ 的面积上。光的总能量没变，摊开的面积变大了，单位面积接收到的能量（辐照度，Irradiance）就按 cos θ 下降。这就是 Lambert 余弦定律。而 cos θ 恰好等于单位法线与单位光照方向的点积 N·L。
一个理想的漫反射表面（Lambertian 表面）把接收到的光均匀地散射到上半球的所有方向，所以从任何角度看它的亮度都一样，只取决于它接收了多少光。物理上，它的 BRDF（双向反射分布函数，第 9 章细讲）是一个常数：
其中 ρ 是反照率（Albedo，也就是材质的“底色”，0~1），E⊥ 是光垂直入射时的辐照度。分母里的 π 来自“把能量均匀分到半球上”的积分，它保证漫反射出去的总能量不超过收到的能量。
Unity 里的 π 去哪了
如果你翻 URP 的 LightingLambert() 或 BRDF 代码，会发现漫反射写的是 albedo * lightColor * NdotL，没有除以 π。这不是错误，而是一个约定：Unity（以及多数游戏引擎）规定灯光的 Intensity 已经“预先乘了 π”，也就是说 light.color 代表的是 π·E⊥。这样美术把一盏 Intensity = 1 的白光照在白色表面上，正对的地方刚好输出 1，直观易调。代价是：凡是从论文里抄来的 BRDF 公式，都要整体乘以 π 才能和 Unity 的灯光配合。这一点在本章的高光归一化和第 9～11 章的 PBR 里会反复出现。
完整代码
Assets/Cookbook/Ch05/Lambert.shader
// 案例 5.1 Lambert 漫反射：只计算主光源的 N·L，再加一点球谐环境光 Shader "Cookbook/Ch05/Lambert" { Properties { [MainColor] _BaseColor("Base Color", Color) = (0.85, 0.5, 0.25, 1) _AmbientStrength("Ambient Strength", Range(0, 1)) = 1 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" "RenderPipeline"="UniversalPipeline" "Queue"="Geometry" } HLSLINCLUDE #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl" CBUFFER_START(UnityPerMaterial) half4 _BaseColor; half _AmbientStrength; CBUFFER_END ENDHLSL Pass { Name "ForwardLit" Tags { "LightMode"="UniversalForward" } HLSLPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl" struct Attributes { float4 positionOS : POSITION; float3 normalOS : NORMAL; }; struct Varyings { float4 positionCS : SV_POSITION; float3 normalWS : TEXCOORD0; }; Varyings vert(Attributes input) { Varyings output; output.positionCS = TransformObjectToHClip(input.positionOS.xyz); // 法线要用“逆转置矩阵”变换，TransformObjectToWorldNormal 已经处理了非等比缩放 output.normalWS = TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS); return output; } half4 frag(Varyings input) : SV_Target { // 插值后的法线长度不再是 1，必须重新归一化 half3 N = normalize(input.normalWS); Light mainLight = GetMainLight(); // direction 指向光源；color 已经乘过 Intensity，是线性空间的 HDR 值 half3 radiance = mainLight.color * mainLight.distanceAttenuation; // 余弦定律：背光面 N·L < 0，必须截断到 0，否则会“吸收”别的光 half NdotL = saturate(dot(N, mainLight.direction)); half3 diffuse = _BaseColor.rgb * radiance * NdotL; // 环境光：来自天空的球谐光照，第 8 章细讲。没有它，背光面会是纯黑 half3 ambient = _BaseColor.rgb * SampleSH(N) * _AmbientStrength; return half4(diffuse + ambient, 1); } ENDHLSL } // ---- 投影与深度：本章先照抄，原理见第 6 章 ---- Pass { Name "ShadowCaster" Tags { "LightMode"="ShadowCaster" } ZWrite On ZTest LEqual ColorMask 0 HLSLPROGRAM #pragma vertex ShadowDepthVert #pragma fragment ShadowDepthFrag #pragma multi_compile_vertex _ _CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW #include "Assets/Cookbook/Ch05/Ch05ShadowDepth.hlsl" ENDHLSL } Pass { Name "DepthOnly" Tags { "LightMode"="DepthOnly" } ZWrite On ColorMask R HLSLPROGRAM #pragma vertex DepthOnlyVert #pragma fragment DepthOnlyFrag #include "Assets/Cookbook/Ch05/Ch05ShadowDepth.hlsl" ENDHLSL } } }
// 案例 5.1 Lambert 漫反射：只计算主光源的 N·L，再加一点球谐环境光（GLSL 版，对应 Ch05/Lambert.shader） Shader "Cookbook/Ch05/Lambert" { SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry" } GLSLINCLUDE uniform vec4 _BaseColor; uniform float _AmbientStrength; ENDGLSL Pass { Name "ForwardLit" Tags { "LightMode"="UniversalForward" } GLSLPROGRAM VARYING vec3 normalWS; #ifdef VERTEX void main() { gl_Position = TransformObjectToHClip(positionOS.xyz); // 法线要用“逆转置矩阵”变换，TransformObjectToWorldNormal 已经处理了非等比缩放 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(normalOS); } #endif #ifdef FRAGMENT void main() { // 插值后的法线长度不再是 1，必须重新归一化 vec3 N = normalize(normalWS); Light mainLight = GetMainLight(); // direction 指向光源；color 已经乘过 Intensity，是线性空间的 HDR 值 vec3 radiance = mainLight.color * mainLight.distanceAttenuation; // 余弦定律：背光面 N·L < 0，必须截断到 0，否则会“吸收”别的光 float NdotL = saturate(dot(N, mainLight.direction)); vec3 diffuse = _BaseColor.rgb * radiance * NdotL; // 环境光：来自天空的球谐光照，第 8 章细讲。没有它，背光面会是纯黑 vec3 ambient = _BaseColor.rgb * SampleSH(N) * _AmbientStrength; fragColor = vec4(diffuse + ambient, 1.0); } #endif ENDGLSL } // ---- 投影与深度：本章先照抄，原理见第 6 章 ---- Pass { Name "ShadowCaster" Tags { "LightMode"="ShadowCaster" } ZWrite On ZTest LEqual ColorMask 0 GLSLPROGRAM #define SHADOW_PASS #include "Ch05/Ch05ShadowDepth.glsl" ENDGLSL } Pass { Name "DepthOnly" Tags { "LightMode"="DepthOnly" } ZWrite On ColorMask R GLSLPROGRAM #define DEPTH_PASS #include "Ch05/Ch05ShadowDepth.glsl" ENDGLSL } } }
关键代码讲解
Assets/Cookbook/Ch05/Lambert.shader（节选：frag）
half4 frag(Varyings input) : SV_Target { // 插值后的法线长度不再是 1，必须重新归一化 half3 N = normalize(input.normalWS); Light mainLight = GetMainLight(); // direction 指向光源；color 已经乘过 Intensity，是线性空间的 HDR 值 half3 radiance = mainLight.color * mainLight.distanceAttenuation; // 余弦定律：背光面 N·L < 0，必须截断到 0，否则会“吸收”别的光 half NdotL = saturate(dot(N, mainLight.direction)); half3 diffuse = _BaseColor.rgb * radiance * NdotL; // 环境光：来自天空的球谐光照，第 8 章细讲。没有它，背光面会是纯黑 half3 ambient = _BaseColor.rgb * SampleSH(N) * _AmbientStrength; return half4(diffuse + ambient, 1); }
// 案例 5.1 Lambert 漫反射：只计算主光源的 N·L，再加一点球谐环境光（GLSL 版，对应 Ch05/Lambert.shader） Shader "Cookbook/Ch05/Lambert" { SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" "Queue"="Geometry" } GLSLINCLUDE uniform vec4 _BaseColor; uniform float _AmbientStrength; ENDGLSL Pass { Name "ForwardLit" Tags { "LightMode"="UniversalForward" } GLSLPROGRAM VARYING vec3 normalWS; #ifdef VERTEX void main() { gl_Position = TransformObjectToHClip(positionOS.xyz); // 法线要用“逆转置矩阵”变换，TransformObjectToWorldNormal 已经处理了非等比缩放 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(normalOS); } #endif #ifdef FRAGMENT void main() { // 插值后的法线长度不再是 1，必须重新归一化 vec3 N = normalize(normalWS); Light mainLight = GetMainLight(); // direction 指向光源；color 已经乘过 Intensity，是线性空间的 HDR 值 vec3 radiance = mainLight.color * mainLight.distanceAttenuation; // 余弦定律：背光面 N·L < 0，必须截断到 0，否则会“吸收”别的光 float NdotL = saturate(dot(N, mainLight.direction)); vec3 diffuse = _BaseColor.rgb * radiance * NdotL; // 环境光：来自天空的球谐光照，第 8 章细讲。没有它，背光面会是纯黑 vec3 ambient = _BaseColor.rgb * SampleSH(N) * _AmbientStrength; fragColor = vec4(diffuse + ambient, 1.0); } #endif ENDGLSL } // ---- 投影与深度：本章先照抄，原理见第 6 章 ---- Pass { Name "ShadowCaster" Tags { "LightMode"="ShadowCaster" } ZWrite On ZTest LEqual ColorMask 0 GLSLPROGRAM #define SHADOW_PASS #include "Ch05/Ch05ShadowDepth.glsl" ENDGLSL } Pass { Name "DepthOnly" Tags { "LightMode"="DepthOnly" } ZWrite On ColorMask R GLSLPROGRAM #define DEPTH_PASS #include "Ch05/Ch05ShadowDepth.glsl" ENDGLSL } } }
- 重新归一化法线。顶点法线在光栅化时被线性插值，两个单位向量的线性插值长度小于 1（在两向量夹角越大时越明显），不归一化的话三角形中间会偏暗。这一行在低模上尤其重要。
- radiance = color × distanceAttenuation。如 5.2 节所说，主光源也要乘
distanceAttenuation，否则灯光的 Culling Mask 在 Forward 路径下失效。 - saturate(dot(N, L))。背光面 N·L 为负，物理上意味着“光从背面来”，表面接收不到它，必须截断为 0。如果忘了截断，负值会把环境光也“减掉”，背光面会比纯环境光还暗，甚至出现负颜色。
saturate等价于clamp(x, 0, 1)，在大多数 GPU 上是免费的指令修饰符，比max(0, x)更推荐。 - 环境光。
SampleSH(N)返回法线方向上的环境辐照度（来自天空盒烘焙出的球谐系数），乘上反照率就是最简单的环境漫反射。把_AmbientStrength设为 0，背光面就会变成纯黑。
顶点着色器里用 TransformObjectToWorldNormal 而不是 TransformObjectToWorld 变换法线：法线必须用模型矩阵的逆转置来变换，才能在非等比缩放时保持与表面垂直。这个函数内部用的是 unity_WorldToObject 的转置，并默认做了归一化。
Shader 末尾的两个 Pass 来自 Ch05ShadowDepth.hlsl，它们让物体能把影子投到地面上、能被写进深度图。注意文件开头那一行额外的 include：
Assets/Cookbook/Ch05/Ch05ShadowDepth.hlsl
// 第 5 章所有 Shader 共用的 ShadowCaster / DepthOnly 顶点与片元函数。 // 本章只关心“表面怎么被照亮”，这两个 Pass 只负责让物体能投影、能写进深度图， // 它们的原理（ApplyShadowBias、_CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW 等）在第 6 章细讲。 #ifndef COOKBOOK_CH05_SHADOW_DEPTH_INCLUDED #define COOKBOOK_CH05_SHADOW_DEPTH_INCLUDED #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl" // Shadows.hlsl 用到了 LerpWhiteTo()，它定义在 CommonMaterial.hlsl 里，但 Shadows.hlsl 自己没有 include。 // URP 自带的 Lit 之所以不报错，是因为 LitInput.hlsl 先 include 了它。自己写 ShadowCaster 时要补上。 #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/CommonMaterial.hlsl" #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Shadows.hlsl" // 由 URP 的阴影 Pass 在绘制每个投射光源前设置 float3 _LightDirection; float3 _LightPosition;
// 第 5 章所有 Shader 共用的 ShadowCaster / DepthOnly 顶点与片元代码（GLSL 版）。 // 原理（ApplyShadowBias、点光源投影等）在第 6 章细讲。 // 用法：在 Pass 的 GLSLPROGRAM 里先 #define SHADOW_PASS 或 DEPTH_PASS，再 #include 本文件。 #ifdef SHADOW_PASS #ifdef VERTEX void main() { vec3 positionWS = TransformObjectToWorld(positionOS.xyz); vec3 normalWS = TransformObjectToWorldNormal(normalOS); // 点光源/聚光灯：方向从顶点指向灯；方向光：所有顶点同一方向（_CASTING_PUNCTUAL_LIGHT_SHADOW 在 GLSL 版里是个 uniform） vec3 lightDirectionWS = _CastingPunctualLightShadow > 0.5 ? normalize(_LightPosition - positionWS) : _LightDirection; vec4 positionCS = TransformWorldToHClip(ApplyShadowBias(positionWS, normalWS, lightDirectionWS)); positionCS.z = max(positionCS.z, UNITY_NEAR_CLIP_VALUE * positionCS.w); gl_Position = positionCS; } #endif #ifdef FRAGMENT void main() { fragColor = vec4(0.0); } // ColorMask 0，只写深度 #endif #endif #ifdef DEPTH_PASS #ifdef VERTEX void main() { gl_Position = TransformObjectToHClip(positionOS.xyz); } #endif #ifdef FRAGMENT void main() { fragColor = vec4(gl_FragCoord.z); } // 与 URP DepthOnlyPass 一致：深度写进 R 通道 #endif #endif
坑自己写 ShadowCaster 时只 include
Shadows.hlsl 会编译失败，报 undeclared identifier 'LerpWhiteTo'。这个函数在 Core RP 的 CommonMaterial.hlsl 里，而 Shadows.hlsl 没有包含它。URP 的 Lit 不报错，只是因为 LitInput.hlsl 恰好先 include 了它。效果
左图就是 N·L 本身的可视化：受光最强的点正对光源，越往边缘越暗，交界线处降到 0。中图的硬交界线和纯黑的背光面，是“只有直接光”的典型样子，在太空场景之外很少见。右图加了环境光以后，背光面有了来自天空的蓝色调，整体立刻可信多了，但也因此显得平——这正是下面几个案例要解决的问题。
调参建议Lambert 唯一的参数就是反照率。现实中的材质反照率很少超过 0.9、也很少低于 0.03，纯白 (1,1,1) 的材质在光照下会显得“发光”。第 13 章会系统讨论合理的取值范围。