光照模型公式与对比速查表
本表汇总了 The Unity Shaders Bible 第 7-8 章中涉及的所有光照模型公式、Shader 实现要点和跨引擎对比。
一、光照公式速查
1.1 环境光（Ambient Color）
光照公式：ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT × _Ambient
输入：全局环境颜色 + 强度标量 [0, 1]
输出：float3 RGB 环境色
Unity 变量：UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT
说明：最简单的全局光照近似，无方向性。在 Unity 中通过 Lighting 窗口的 Environment 面板配置。
1.2 Lambert 漫反射
光照公式：D = Dr× Dl× max(0,n·l)
输入：法线 n，光照方向 l，光源颜色 Dr，光源强度 Dl
输出：float3 RGB 漫反射色
Unity 变量：_WorldSpaceLightPos0（光照方向）、_LightColor0（光源颜色）
1.3 Blinn-Phong 高光反射
光照公式：
h= normalize(l+e)（半程向量）
S = Sa× Sp× max(0,n·h)p
输入：法线 n，光照方向 l，视线方向 e，高光颜色 Sa，高光强度 Sp，指数 p [1, 128]
输出：float3 RGB 高光色
Unity 变量：_WorldSpaceCameraPos（相机位置，用于计算视线方向）
1.4 环境反射（Cubemap）
光照公式：
r= reflect(e,n) =e− 2n(n·e)
cubemap = texCUBElod(samplerCUBE, float4(r, detail))
reflection = intensity × cubemap.rgb × (cubemap.a × exposure)
快捷方法：UNITY_SAMPLE_TEXCUBE(unity_SpecCube0, reflect_world)
输出：float3 RGB 环境反射色
1.5 Fresnel 效应（菲涅尔效应）
光照公式：
F = pow(1 − saturate(n·e), power)
输入：法线 n，视线方向 e，指数 power
输出：float（标量，范围 [0, 1]）
物理意义：视线与法线夹角越大（掠射角），反射越强
1.6 Schlick Fresnel 近似（PBR）
公式：
F(θ) = F0 + (1 − F0) × (1 − cosθ)5
其中 cosθ = saturate(n·e)，F0 为法线入射反射率
F0 参考值：
| 材质 | 类型 | F0 |
|---|---|---|
| 水 | 非金属 | 0.02 |
| 玻璃 | 非金属 | 0.04 |
| 塑料 | 非金属 | 0.04-0.05 |
| 钻石 | 非金属 | 0.17 |
| 铁 | 金属 | 0.56 |
| 金 | 金属 | 0.71 |
| 银 | 金属 | 0.95 |
二、标准 Lighting 函数实现模板
2.1 LambertShading
2.2 SpecularShading (Blinn-Phong)
2.3 AmbientReflection (Cubemap)
2.4 Fresnel 效应
三、Unity 内置变量速查
| 变量名 | 类型 | 说明 | 所属 |
|---|---|---|---|
UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT | float4 | 环境光颜色 | UnityCG.cginc |
_WorldSpaceLightPos0 | float4 | 方向光方向（世界空间） | UnityCG.cginc |
_LightColor0 | float4 | 光源颜色 | 需手动声明 |
_WorldSpaceCameraPos | float3 | 相机位置（世界空间） | UnityCG.cginc |
_ProjectionParams | float4 | x: 翻转标志, y: Znear, z: Zfar, w: 1/Zfar | 内置 |
_ScreenParams | float4 | x: 宽度, y: 高度, z: 1+1/宽, w: 1+1/高 | 内置 |
unity_ObjectToWorld | float4x4 | 物体→世界矩阵 | 内置 |
unity_WorldToObject | float4x4 | 世界→物体矩阵 | 内置 |
unity_SpecCube0 | samplerCUBE | 默认反射探针 | 内置 |
_ShadowMapTexture | sampler2D | 阴影贴图（Built-in RP） | AutoLight.cginc |
四、PBR 参数对照表
| Unity Standard | Unreal Engine | Filament | Three.js | 物理意义 |
|---|---|---|---|---|
| Albedo | Base Color | BaseColor | color / map | 表面基础颜色（非金属的漫反射色 / 金属的 F0） |
| Metallic | Metallic | Metallic | metalness | 金属度：0=绝缘体, 1=导体 |
| Smoothness | Roughness（反向） | Roughness | roughness（反向） | 表面光滑程度（1=完美镜面, 0=完全粗糙） |
| Normal | Normal | Normal | normalMap | 法线贴图（切线空间） |
| Occlusion | Ambient Occlusion | Ambient Occlusion | aoMap | 环境光遮蔽 |
| Emission | Emissive Color | Emissive | emissive / emissiveMap | 自发光（不受光照影响） |
五、阴影映射速查
5.1 Built-in RP 阴影宏
| 宏 | 使用位置 | 作用 |
|---|---|---|
V2F_SHADOW_CASTER | v2f 结构体 | 声明阴影投射所需的插值器 |
TRANSFER_SHADOW_CASTER_NORMALOFFSET(o) | vert 函数 | 变换顶点坐标 + 法线偏移 |
SHADOW_CASTER_FRAGMENT(i) | frag 函数 | 输出阴影深度值 |
SHADOW_COORDS(n) | v2f 结构体 | 声明阴影 UV 坐标在 TEXCOORD[n] |
TRANSFER_SHADOW(o) | vert 函数 | 计算阴影 UV 坐标 |
SHADOW_ATTENUATION(i) | frag 函数 | 获取阴影衰减值 [0, 1] |
5.2 URP 阴影关键函数
| 函数/宏 | 所在文件 | 作用 |
|---|---|---|
TransformObjectToHClip() | Core.hlsl | 物体空间→齐次裁剪空间 |
GetVertexPositionInputs() | ShaderVariablesFunctions.hlsl | 获取顶点位置信息 |
GetShadowCoord() | Shadows.hlsl | 计算阴影坐标 |
GetMainLight(shadowCoord) | Lighting.hlsl | 获取主光源信息（含阴影衰减） |
5.3 常见阴影问题及解决方案
| 问题 | 现象 | 解决方案 |
|---|---|---|
| Shadow Acne（阴影锯齿） | 表面条带状闪烁 | 增加 Depth Bias |
| Peter Panning（阴影漂浮） | 阴影与物体分离 | 减小 Depth Bias 或调整 Normal Bias |
| 锯齿边缘 | 阴影边缘有锯齿 | 提高 Shadow Map 分辨率 / 开启 PCF |
| 阴影完全消失 | 所有阴影不见了 | 检查 Light Mode 标签和 Shader 变体编译 |
六、引擎光照模型跨平台对比
| 功能 | Unity (Built-in) | Unity (URP) | Unreal Engine | Godot | Three.js |
|---|---|---|---|---|---|
| Shader 语言 | CG/HLSL | HLSL | HLSL (USD) | GLSL (Godot Shader) | GLSL (WebGL) |
| 默认光照模型 | Standard (Cook-Torrance) | Lit (Cook-Torrance) | Default Lit (Cook-Torrance) | StandardMaterial3D | MeshStandardMaterial |
| PBR 工作流 | Metallic / Specular | Metallic | Metallic | Metallic / Specular | Metallic / Specular |
| PBR 工作流 | Surface Shader | Shader Graph / HLSL | Material Graph | Shader Graph (4.0+) | Material (JS) |
| 阴影默认方法 | Shadow Mapping + PCF | Shadow Mapping + PCF | Shadow Mapping / DF Soft | Shadow Mapping + PCF | Shadow Mapping + PCF |
| 环境反射 | Reflection Probe | Reflection Probe | Reflection Capture | ReflectionProbe | CubeCamera / envMap |
七、推荐资源
- 书籍：The Unity Shaders Bible（本课教材）Chapters 6-8
- 书籍：Real-Time Rendering, 4th Edition (Möller et al.) — 实时渲染圣经
- 文档：Unity Manual — Surface Shader
- 文档：Catlike Coding — Rendering 系列教程
- 文档：Google Filament — PBR 参考文档
- 工具：Shadertoy — 在线交互式 Shader 编辑器
- 工具：Interactive Shader Format — Shader 可视化调试
教材对照：The Unity Shaders Bible Chapter II, Sections 6.0.1—8.0.6