URP基础光照
在该节我将使用HLSL语法，复刻CG语法下的逐像素高光反射光照（Blinn-Phong光照模型）Shader。
本系列URP不再阐述具体的效果实现逻辑与公式推导，侧重于URP下对《Shader入门精要》中Demo的复刻。如果对该Shader实现原理层面不太了解，建议移步我之前对《Shader入门精要》一书的学习笔记博客。在此感谢该书作者冯乐乐女神为我们这些新手铺垫了求学之路。
效果图
使用到的语法
-
指定渲染通道采用URP渲染管道，这是必须的
Tags { "RenderPipeline" = "UniversalRenderPipeline" } -
引用hlsl函数库
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl" #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl" #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/SpaceTransforms.hlsl" -
将材质属性声明在一个名为UnityPerMaterial的CBUFFER块中，这样才能保证该Shader能够兼容SRP的批处理
CBUFFER_START(UnityPerMaterial) …… CBUFFER_END -
初始化结构体
ZERO_INITIALIZE(v2f, o); -
一些坐标转换函数
// 使用HLSL的函数将坐标从模型空间转换到裁剪空间 o.pos = TransformObjectToHClip(v.vertex.xyz); // 使用HLSL的函数将法线从物体空间转换到世界空间 o.worldNormal = TransformObjectToWorldDir(v.normal); // 使用HLSL的函数将顶点从对象空间转换到世界空间 o.worldPos = TransformObjectToWorldDir(v.vertex.xyz); -
获取URP下主光源数据
Light light = GetMainLight();该方法源码如下：
Light GetMainLight() { Light light; light.direction = _MainLightPosition.xyz; // unity_LightData.z is 1 when not culled by the culling mask, otherwise 0. light.distanceAttenuation = unity_LightData.z; #if defined(LIGHTMAP_ON) || defined(_MIXED_LIGHTING_SUBTRACTIVE) // unity_ProbesOcclusion.x is the mixed light probe occlusion data light.distanceAttenuation *= unity_ProbesOcclusion.x; #endif light.shadowAttenuation = 1.0; light.color = _MainLightColor.rgb; return light; } -
URP内部兰伯特漫反射计算函数
half3 diffuse = LightingLambert(light.color.rgb, worldLightDir, worldNormal) -
相机位置
_WorldSpaceCameraPos -
环境光
_GlossyEnvironmentColor -
FallBack
FallBack "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/FallbackError"
完整代码
笔者其实比较纠结这里的环境光写法，在URP下有多种方式去计算环境光，比如带入球谐函数计算环境光、从光照贴图中获取环境光等。不在使用
UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz的原因是该函数已经被2018版Unity标注为过期函数。通过反复实验，得到效果与Built-in下环境光效果最相近的是
half3 ambient =unity_AmbientEquator;方法，但逻辑上URP定义的环境光应该是half3 ambient = _GlossyEnvironmentColor;，这是由URP管线在管线脚本中计算天空盒的光照系数后传入的，但效果上比Built-in会亮两个灰度。在Unity2019版本后使用Unity不再自动进行光照烘焙，我们新建场景后需要手动去开启自动烘焙，否则在Shader无法获取到环境光。（Window->rendering->Lighting Settings->Scene，最下方的AutoGenerate勾选上）
Shader "URP/Blinn-Phong"
{
Properties
{
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(1.0, 500)) = 20
}
SubShader
{
// 指定渲染通道使用URP渲染管线
Tags { "RenderPipeline" = "UniversalRenderPipeline" "RenderType" = "Opaqua" }
Pass
{
Tags { "LightMode" = "UniversalForward" }
HLSLPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
// 引用URP函数库
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
#include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/SpaceTransforms.hlsl"
// 为了确保UnityShader可以兼容SRP批处理
// 需要把所有的材质属性声明在一个名为UnityPerMaterial的CBUFFER块中
CBUFFER_START(UnityPerMaterial)
half4 _Diffuse;
half4 _Specular;
float _Gloss;
CBUFFER_END
struct a2v
{
float4 vertex: POSITION;
float3 normal: NORMAL;
float2 lightmapUV: TEXCOORD1;
};
struct v2f
{
float4 pos: SV_POSITION;
float3 worldNormal: TEXCOORD0;
float3 worldPos: TEXCOORD1;
//DECLARE_LIGHTMAP_OR_SH(lightmapUV, vertexSH, 2);
};
v2f vert(a2v v)
{
v2f o;
// 初始化变量
ZERO_INITIALIZE(v2f, o);
// 使用HLSL的函数将坐标从模型空间转换到裁剪空间
o.pos = TransformObjectToHClip(v.vertex.xyz);
// 使用HLSL的函数将法线从物体空间转换到世界空间
o.worldNormal = TransformObjectToWorldDir(v.normal);
// 使用HLSL的函数将顶点从对象空间转换到世界空间
o.worldPos = TransformObjectToWorldDir(v.vertex.xyz);
//OUTPUT_LIGHTMAP_UV(v.lightmapUV, unity_LightmapST, o.lightmapUV);
return o;
}
half4 frag(v2f i): SV_Target
{
// 使用HLSL的函数获取主光源数据
Light light = GetMainLight();
half3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
// 使用HLSL的函数计算世界空间下的光方向
half3 worldLightDir = normalize(TransformObjectToWorldDir(light.direction));
// 漫反射光=入射光线强度*材质的漫反射系数*取值为正数(表面法线方向 · 光源方向)
// half3 diffuse = light.color.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
half3 diffuse = LightingLambert(light.color.rgb, worldLightDir, worldNormal) * _Diffuse.rgb;
// 使用HLSL的函数_WorldSpaceCameraPos获取相机位置
// 视角方向 = 标准化（世界空间下相机位置-坐标位置）
half3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos);
// 半角方向 = 标准化（世界空间下光线方向 + 视角方向）
half3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
// BlinnPhong高光反射=入射光线颜色强度*材质的高光反射系数*n次平方(取值为正数(法线方向 · 半角方向)); pow：次平方
half3 specular = light.color.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
// 获取环境光方式多种，且得到效果不一
//half3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
//half3 ambient = (glstate_lightmodel_ambient).xyz;
//half3 ambient = i.vertexSH.xyz;
//half3 ambient = SampleSH(worldNormal);
half3 ambient = _GlossyEnvironmentColor;
//half3 ambient = half3(unity_SHAr.w, unity_SHAg.w, unity_SHAb.w) ;
//half3 ambient = SAMPLE_GI(i.lightmapUV, i.vertexSH, worldNormal);
//half3 ambient =unity_AmbientEquator; ;
// 最终结果=环境光+漫反射+高光反射,1.0代表透明度
return half4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
ENDHLSL
}
}
FallBack "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/FallbackError"
}
