1. 引言理解全局光照全局光照Global Illumination简称 GI是计算机图形学中一项重要的光照技术它模拟了光线在场景中 多次反弹 的效果使渲染结果更加真实自然。在 Unity 的通用渲染管线URP中GI 系统主要通过以下几种方式实现 URP 中的 GI 方案URP 12.0 版本引入了对 Enlighten 实时 GI 的支持同时保留了传统的烘焙 GILightmap和实时探针方案。本文将深入讲解三种主要的 GI 实现方式Lightmap光照贴图— 静态场景的预计算光照光照探针Light Probe— 动态物体的环境光采样反射探针Reflection Probe— 实时反射与环境映射2. Lightmap 烘焙与采样2.1 什么是 LightmapLightmap 是 Unity 中最传统的 GI 解决方案它将场景的光照信息 预计算 并存储到贴图中。这种方式适合静态场景能够以较低的性能开销实现高质量的光照效果。2.2 Lightmap 工作流程2.3 URP Shader 中采样 Lightmap在自定义 URP Shader 中我们需要使用 Unity 提供的内置函数来采样 Lightmap。以下是完整的实现代码1// 2// Unity URP Lightmap 采样示例 3// 适用于 URP 12.0 4// 5 6// 引入 URP 核心头文件 7#include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl 8#include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl 9 10// 11// 声明 Shader 属性 12// 13 14struct Attributes { 15 float4 positionOS : POSITION; // 对象空间顶点位置 16 float3 normalOS : NORMAL; // 对象空间法线 17 float2 uv : TEXCOORD0; // 主纹理坐标 18 float2 lightmapUV : TEXCOORD1; // Lightmap UV 19}; 20 21struct Varyings { 22 float4 positionHCS : SV_POSITION; // 裁剪空间顶点位置 23 float2 uv : TEXCOORD0; 24 float3 positionWS : TEXCOORD1; // 世界空间位置 25 float3 normalWS : TEXCOORD2; // 世界空间法线 26 float2 lightmapUV : TEXCOORD3; // Lightmap UV 传递到片元着色器 27}; 28 29// 30// 顶点着色器 31// 32 33Varyings Vertex(Attributes input) { 34 Varyings output; 35 36 // 转换顶点位置到裁剪空间 37 output.positionHCS TransformObjectToHClip(input.positionOS); 38 39 // 转换法线到世界空间 40 output.normalWS TransformObjectToWorldNormal(input.normalOS); 41 42 // 获取世界空间位置 43 output.positionWS TransformObjectToWorld(input.positionOS).xyz; 44 45 // 传递 UV 坐标 46 output.uv input.uv; 47 48 // 传递 Lightmap UV应用 Scale/Offset 49 output.lightmapUV input.lightmapUV * unity_LightmapST.xy unity_LightmapST.zw; 50 51 return output; 52} 53 54// 55// 片元着色器 — Lightmap 采样核心逻辑 56// 57 58float4 Fragment(Varyings input) : SV_Target { 59 // 基础颜色从主纹理采样 60 float4 baseColor SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv); 61 62 // 初始化光照数据 63 Light mainLight GetMainLight(); 64 65 // Lightmap 采样核心代码 66 float3 lightmapColor float3(0.0); 67 68// D:\Unity\2022\Editor\Data\Resources\PackageManager\ProjectTemplates\ 69 // 使用 SAMPLE_TEXTURE2D 采样 Lightmap 70 // unity_Lightmap 是 Lightmap 纹理数组 71 #if defined(LIGHTMAP_ON) 72 // 烘焙光照模式使用 Lightmap 纹理 73 lightmapColor SAMPLE_TEXTURE2D(unity_Lightmap, samplerunity_Lightmap, 74 input.lightmapUV).rgb; 75 // 解码 HDR Lightmap如果使用 HDR 76 lightmapColor DecodeLightmap(lightmapColor); 77 #else 78 // 如果没有 Lightmap使用环境光 79 lightmapColor float3(0.03, 0.03, 0.03); // 默认环境光 80 #endif 81 82 // 计算 Lambert 漫反射 83 float NdotL dot(input.normalWS, mainLight.direction); 84 float diffuse saturate(NdotL); 85 86 // 组合光照基础色 × (直接光照 Lightmap) 87 float3 finalColor baseColor.rgb * 88 (mainLight.color * diffuse lightmapColor); 89 90 return float4(finalColor, baseColor.a); 91}⚠️ 注意事项Lightmap 采样需要物体标记为Lightmap Static并且在 Lighting Settings 中启用 Baked GI。3. 光照探针 (Light Probe)3.1 光照探针的作用光照探针Light Probe用于为 动态物体 提供环境光照信息。静态物体使用 Lightmap而动态角色、玩家角色等无法使用 Lightmap 的物体需要通过光照探针来获取环境光照。3.2 Shader 中采样光照探针光照探针使用球谐函数Spherical Harmonics进行编码和采样这在 URP 中可以通过内置函数自动处理1// 2// 光照探针 (Light Probe) 采样示例 3// 使用球谐函数 (Spherical Harmonics) 4// 5 6#include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl 7 8// 9// 结构体定义 10// 11 12struct Varyings { 13 float4 positionHCS : SV_POSITION; 14 float3 positionWS : TEXCOORD0; // 世界空间位置 15 float3 normalWS : TEXCOORD1; // 世界空间法线 16 float2 uv : TEXCOORD2; 17}; 18 19// 20// 片元着色器光照探针采样 21// 22 23float4 Fragment(Varyings input) : SV_Target { 24 float4 baseColor SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv); 25 26 // 获取主光源信息 27 Light mainLight GetMainLight(); 28 29 // 光照探针采样核心代码 30 float3 lightProbeColor float3(0.0); 31 32 // 使用 SampleSH 在世界空间法线方向采样球谐 33 // Unity 会自动找到最近的光照探针组 34 // 这里的 Probe 存储为球谐系数 35 #if defined(LIGHTMAP_ON) 36 // 烘焙 GI 模式使用球谐探针 37 // SampleSHVertex 是在顶点着色器中进行采样 38 lightProbeColor SampleSH(input.normalWS); 39 #else 40 // 非烘焙模式使用环境光 41 lightProbeColor SampleAmbient(input.positionWS); 42 #endif 43 44 // 获取额外光源 (Additional Lights) 45 int pixelLightCount GetAdditionalLightsCount(); 46 float3 addLightContribution float3(0); 47 48 // 遍历所有额外光源 49 for (int i 0; i pixelLightCount; i) { 50 Light light GetAdditionalLight(i, input.positionWS); 51 float dist distance(input.positionWS, light.position); 52 float attenuation 1.0 / (1.0 0.1 * dist * dist); 53 float NdotL max(0, dot(input.normalWS, light.direction)); 54 addLightContribution light.color * NdotL * attenuation; 55 } 56 57 // 计算最终颜色 58 float3 finalColor baseColor.rgb * ( 59 lightProbeColor // 光照探针环境光 60 mainLight.color * // 主光源 61 max(0, dot(input.normalWS, mainLight.direction)) 62 addLightContribution // 额外光源 63 ); 64 65 return float4(finalColor, baseColor.a); 66} 球谐函数 (Spherical Harmonics) 优势相比直接存储颜色值球谐系数只需要很少的内存约 27 个浮点数就能存储一个位置的环境光照信息支持任意方向的快速采样。4. 反射探针 (Reflection Probe)4.1 反射探针类型反射探针用于提供环境反射信息在 URP 中有三种模式类型模式性能适用场景Baked烘焙最高静态环境的反射Realtime实时最低动态场景的实时反射Mixed混合中等烘焙 实时物体混合4.2 Shader 中采样反射探针在 URP Shader 中我们可以使用GlossyEnvironmentReflection或SampleEnv函数来采样反射探针1// 2// 反射探针 (Reflection Probe) 采样示例 3// 支持 Baked Realtime 混合模式 4// 5 6#include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl 7#include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl 8#include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/UnityGlobalIllumination.hlsl 9 10// 11// 属性声明 12// 13 14TEXTURE2D(_MainTex); SAMPLER(sampler_MainTex); 15TEXTURE2D(_MetallicGlossMap); SAMPLER(sampler_MetallicGlossMap); 16 17TEXTURECUBE(unity_SpecCube0); SAMPLER(samplerunity_SpecCube0); 18 19// Shader 属性 20float4 _MainTex_ST; 21float _Glossiness; // 光滑度 (0-1) 22float _Metallic; // 金属度 (0-1) 23 24// 25// 片元着色器反射探针采样 26// 27 28float4 Fragment(Varyings input) : SV_Target { 29 // 采样基础纹理 30 float4 albedo SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv); 31 float4 metallicGloss SAMPLE_TEXTURE2D(_MetallicGlossMap, sampler_MetallicGlossMap, input.uv); 32 33 float metallic metallicGloss.r; 34 float smoothness metallicGloss.a; 35 36 // 计算反射向量 (View Direction 的反射) 37 float3 viewDir normalize(_WorldSpaceCameraPos- input.positionWS); 38 float3 reflectVec reflect(-viewDir, input.normalWS); 39 40 // 反射探针采样核心代码 41 float3 reflectionColor float3(0.0); 42 43 // 采样反射探针 (unity_SpecCube0) 44 // 使用 GlossyEnvironmentReflection 进行采样 45 // 参数: 反射向量, 盒体投影中心, 盒体投影大小, 粗糙度 46 #if defined(REFLECTION_PROBE_PRIMARY) 47 // 烘焙反射探针 天空盒 48 reflectionColor GlossyEnvironmentReflection( 49 reflectVec, // 反射向量 50 float3(0,0,0), // 盒体中心 (世界坐标) 51 float3(10,10,10), // 盒体大小 52 1.0 - smoothness // 粗糙度 (smoothness 反转) 53 ); 54 #else 55 // 备选方案直接采样天空盒 56 reflectionColor SAMPLE_TEXTURECUBE(unity_SpecCube0, samplerunity_SpecCube0, reflectVec).rgb; 57 #endif 58 59 // 如果是 HDR 模式需要解码 60 #if defined(USE_HDR) 61 reflectionColor DecodeHDREnvironment(reflectionColor, unity_SpecCube0_HDR); 62 #endif 63 64 // PBR 反射计算 (Fresnel-Schlick) 65 float fresnel saturate(1.0 - max(0, dot(input.normalWS, viewDir))); 66 fresnel pow(fresnel, 5.0); // Schlick 近似 67 68 // 混合反射与基础色 (金属度控制) 69 float3 diffuse albedo.rgb * (1 - metallic); 70 float3 specular lerp(float30.04, albedo.rgb, metallic); 71 72 // 菲涅尔反射效果 73 float3 finalColor lerp(diffuse, reflectionColor, fresnel * smoothness); 74 finalColor specular * reflectionColor * smoothness; 75 76 return float4(finalColor, albedo.a); 77}5. Shader 集成实战完整示例下面是一个完整的 URP 自定义 Shader 示例整合了 Lightmap、光照探针和反射探针的所有功能1// 2// Unity URP 完整 GI 集成 Shader 3// 支持: Lightmap Light Probe Reflection Probe 4// 5 6Shader Custom/CompleteGI { 7 // 8 // Shader 属性块 9 // 10 Properties { 11 [MainTexture] _MainTex (Albedo, 2D) white {} 12 [Color] _Color (Color, Color) (1,1,1,1) 13 [Range(0,1)] _Metallic (Metallic, Float) 0.0 14 [Range(0,1)] _Smoothness (Smoothness, Float) 0.5 15 } 16 17 // 18 // SubShader 定义 (URP) 19 // 20 SubShader { 21 Tags { 22 RenderType Opaque 23 RenderPipeline UniversalPipeline 24 } 25 26 // 27 // Pass 定义 28 // 29 Pass { 30 Name ForwardLit 31 Tags { LightMode UniversalForward } 32 33 // 34 // HLSL 代码块 35 // 36 HLSLPROGRAM 37 // 声明顶点/片元函数 38 #pragma vertex Vertex 39 #pragma fragment Fragment 40 41 // 启用 GI 相关的 Shader 变体 42 #pragma multi_compile _ LIGHTMAP_ON 43 #pragma multi_compile _ DIRLIGHTMAP_ON 44 #pragma multi_compile _ _MAIN_LIGHT_SHADOWS 45 #pragma multi_compile _ _ADDITIONAL_LIGHTS 46 #pragma multi_compile _ _REFLECTION_PROBE 47 48 // 引入 URP 库 49 #include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl 50 #include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl 51 #include Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/GlobalIllumination.hlsl 52 53 // 54 // 变量声明 55 // 56 TEXTURE2D(_MainTex); SAMPLER(sampler_MainTex); 57 float4 _MainTex_ST; 58 float4 _Color; 59 float _Metallic; 60 float _Smoothness; 61 62 // 63 // 顶点/片元结构体 (同前) 64 // 65 struct Attributes { float4 positionOS : POSITION; float3 normalOS : NORMAL; float2 uv : TEXCOORD0; float2 lightmapUV : TEXCOORD1; }; 66 struct Varyings { float4 positionHCS : SV_POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; float3 positionWS : TEXCOORD1; float3 normalWS : TEXCOORD2; float2 lightmapUV : TEXCOORD3; }; 67 68 // 69 // 顶点着色器 70 // 71 Varyings Vertex(Attributes input) { 72 Varyings output; 73 output.positionHCS TransformObjectToHClip(input.positionOS); 74 output.normalWS TransformObjectToWorldNormal); 75 output.positionWS TransformObjectToWorld(input.positionOS).xyz; 76 output.uv TRANSFORM_TEX(input.uv, _MainTex); 77 output.lightmapUV input.lightmapUV * unity_LightmapST.xy unity_LightmapST.zw; 78 return output; 79 } 80 81 // 82 // 片元着色器 - 完整 GI 集成 83 // 84 float4 Fragment(Varyings input) : SV_Target { 85 // 1. 采样基础纹理 86 float4 albedo SAMPLE_TEXTURE2D(_MainTex, sampler_MainTex, input.uv) * _Color; 87 88 // 2. 获取主光源 89 Light mainLight GetMainLight(); 90 91 // 3. Lightmap 采样 (静态物体) 92 float3 lightmapColor float3(0); 93 #if defined(LIGHTMAP_ON) 94 lightmapColor SAMPLE_TEXTURE2D(unity_Lightmap, samplerunity_Lightmap, 95 input.lightmapUV).rgb; 96 lightmapColor DecodeLightmap(lightmapColor); 97 #endif 98 99 // 4. Light Probe 采样 (动态物体) 100 float3 lightProbeColor SampleSH(input.normalWS); 101 102 // 5. Reflection Probe 采样 103 float3 viewDir normalize(_WorldSpaceCameraPos - input.positionWS); 104 float3 reflectVec reflect(-viewDir, input.normalWS); 105 float3 reflectionColor GlossyEnvironmentReflection(reflectVec, float3(0), float3(10), 1-_Smoothness); 106 107 // 6. 组合光照 108 float NdotL max(0, dot(input.normalWS, mainLight.direction)); 109 float3 directLight mainLight.color * NdotL; 110 float3 giLight lightmapColor lightProbeColor; // GI Lightmap Light Probe 111 112 // 7. PBR 计算 113 float fresnel pow(1-max(0,dot(input.normalWS,viewDir)),5); 114 float3 diffuse albedo.rgb * (directLight giLight); 115 float3 specular lerp(float30.04, albedo.rgb, _Metallic); 116 float3 finalColor diffuse specular * reflectionColor * _Smoothness; 117 118 return float4(finalColor, albedo.a); 119 } 120 ENDHLSL 121 } 122 } 123}6. 最佳实践与性能优化6.1 GI 组件选择指南场景类型推荐方案理由静态环境建筑、关卡Lightmap最高质量最低运行时开销动态角色/玩家Light Probe支持移动GI 效果自然金属/玻璃材质Reflection Probe实时反射环境逼真开放世界Baked Realtime 混合平衡质量与性能6.2 性能优化建议合理设置探针密度— 光照探针不要设置过密通常在光照变化明显的区域放置即可使用 Reflection Probe 盒体投影— 减少探针数量提高采样效率Lightmap 分辨率控制— 根据物体重要性设置不同的分辨率减少 Realtime 探针— Realtime 反射探针开销大谨慎使用使用 GPU Instancing— 相同材质的物体可以批量渲染 URP 12.0 新特性URP 12.0 引入了对 Enlighten Realtime GI 的官方支持可以在运行时动态更新光照适合需要实时改变光源的场景。6.3 常见问题排查⚠️ Lightmap 不工作检查清单1. 物体是否标记为 Static2. Lighting Settings 是否启用 Baked GI3. Mesh Renderer 是否开启 Receive Baked GI4. 是否执行了 Lightmapping Bake⚠️ Light Probe 无效果检查清单1. 场景中是否有光照探针2. 动态物体是否在探针包围盒内3. Light Probe Group 是否启用