Wrap Lighting 与交界线染色 - Unity URP Shader 实现与在线预览（案例 5.3）· URP 渲染实战

案例 5.3Wrap Lighting 与交界线染色进阶

目标：用一个参数在 Lambert 和 Half-Lambert 之间连续过渡，并给出“能量守恒”版本；再利用 Wrap 多出来的那一圈，给交界线染上颜色，做出廉价的次表面散射感。

原理

Wrap Lighting 让光“绕过”交界线，照亮背光面的一部分。参数 w（0~1）表示绕过去多远：

D_{wrap} = saturate (\frac{N \cdot L + w}{1 + w})

w = 0 时就是 Lambert；w = 1 时就是不平方的 Half-Lambert；中间的值让归零点落在 θ = arccos(−w) 处，比如 w = 0.5 时，光一直照到 120°。

这个式子有一个不太显眼的问题：它让表面变亮了。被照亮的区域变大，而峰值（正对光源处）仍然是 1，球体反射出去的总能量就比 Lambert 多。可以算一下：设 μ = cos θ，一个被平行光照射的球，反射的总能量正比于 D(μ) 在 μ ∈ [−1, 1] 上的积分。Lambert 是 ∫₀¹ μ dμ = 1/2；Wrap 是 ∫_−w¹ (μ + w)/(1 + w) dμ = (1 + w)/2，多出了 (1 + w) 倍。所以只要把分母再乘一个 (1 + w)，总能量就和 Lambert 相同了：

D_{wrap, 守恒} = saturate (\frac{N \cdot L + w}{{(1 + w)}^{2}})

能量守恒版本的效果是：光“铺开”了，但峰值被压低，整体亮度不变。图 5-6 里橙色的曲线是不守恒的 w = 0.5 版本。

代码

Assets/Cookbook/Ch05/WrapLighting.shader（节选：wrap）

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half WrapDiffuse(half NdotL, half w)
{
#if defined(_WRAP_ENERGY_CONSERVING)
    // 分母 (1+w)^2：被照亮的范围变大了，峰值相应压低，总能量与 Lambert 相同
    return saturate((NdotL + w) / ((1 + w) * (1 + w)));
#else
    // 经典写法：w = 0 时退化为 Lambert，w = 1 时等价于未平方的 Half-Lambert
    return saturate((NdotL + w) / (1 + w));
#endif
}

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float WrapDiffuse(float NdotL, float w)
{
#if defined(_WRAP_ENERGY_CONSERVING)
    // 分母 (1+w)^2：被照亮的范围变大了，峰值相应压低，总能量与 Lambert 相同
    return saturate((NdotL + w) / ((1.0 + w) * (1.0 + w)));
#else
    // 经典写法：w = 0 时退化为 Lambert，w = 1 时等价于未平方的 Half-Lambert
    return saturate((NdotL + w) / (1.0 + w));
#endif
}

Assets/Cookbook/Ch05/WrapLighting.shader（节选：frag）

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half4 frag(Varyings input) : SV_Target
{
    half3 N = normalize(input.normalWS);
    Light mainLight = GetMainLight();
    half3 radiance = mainLight.color * mainLight.distanceAttenuation;

    half NdotL = dot(N, mainLight.direction);
    half wrap = WrapDiffuse(NdotL, _Wrap);

    // 交界线染色：只在“Wrap 有、Lambert 没有”的那一圈加颜色，模拟光在皮下散射后带出的红色
    half scatter = saturate(wrap - saturate(NdotL));
    half3 diffuse = _BaseColor.rgb * radiance * wrap
                  + _TerminatorTint.rgb * radiance * scatter;

    half3 ambient = _BaseColor.rgb * SampleSH(N) * _AmbientStrength;
    return half4(diffuse + ambient, 1);
}

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void main()
{
    vec3 N = normalize(normalWS);
    Light mainLight = GetMainLight();
    vec3 radiance = mainLight.color * mainLight.distanceAttenuation;

    float NdotL = dot(N, mainLight.direction);
    float wrap = WrapDiffuse(NdotL, _Wrap);

    // 交界线染色：只在“Wrap 有、Lambert 没有”的那一圈加颜色，模拟光在皮下散射后带出的红色
    float scatter = saturate(wrap - saturate(NdotL));
    vec3 diffuse = _BaseColor.rgb * radiance * wrap
                 + _TerminatorTint.rgb * radiance * scatter;

    vec3 ambient = _BaseColor.rgb * SampleSH(N) * _AmbientStrength;
    fragColor = vec4(diffuse + ambient, 1.0);
}

能量守恒用 shader_feature_local_fragment 做成材质开关，两种写法编译成两个变体，运行时没有分支开销。交界线染色的思路是：wrap − saturate(NdotL) 恰好只在“Wrap 照亮了、Lambert 没照亮”的那一圈大于 0，用它乘上一个偏红的颜色叠加上去，就能模拟光在皮肤、蜡、玉石内部散射后从交界线附近透出的红晕。

**图 5-8**从左到右 w = 0、0.25、0.5、0.75、1，光从右侧照来。上排：经典 Wrap，越往右越亮；下排：能量守恒 Wrap，光照范围扩大的同时峰值降低，整体亮度基本不变

**图 5-9**左：Lambert（w = 0）；右：能量守恒 Wrap（w = 0.5）+ 暗红色交界线染色，明暗交界处出现柔和的红晕，有了“皮肤感”

深入Wrap 加染色只是次表面散射（Subsurface Scattering）最粗糙的近似：它不考虑物体厚度，也不区分红绿蓝光在皮肤里的散射距离差异。第 12 章会介绍预积分皮肤 LUT 和薄片透射，它们是 Wrap 思路的“正规化”版本。

本案例出自《URP 渲染实战》第 5 章「经典光照模型」。在章节中阅读上下文 →

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