Unity中的光照和材质

# 1. 理解光照和材质

光照和材质是实时渲染中非常重要的概念，它们直接影响着场景的真实感和视觉效果。在Unity中，光照和材质的设置可以让我们的游戏或应用看起来更加生动和具有吸引力。让我们先来深入了解光照和材质的基本概念。

#### 1.1 光照的基本概念

光照在实时渲染中扮演着至关重要的角色，它决定了场景中物体的明暗、阴影等视觉效果。在Unity中，光照可以分为实时光照和烘焙光照两种类型。实时光照是实时计算得到的光照效果，而烘焙光照则是预先计算好的静态光照贴图应用在场景中。

#### 1.2 材质的作用和属性

材质定义了物体表面的外观特性，包括颜色、反射率、透明度等。在Unity中，材质属性可以通过设置材质球来控制，我们可以调整材质球的颜色、纹理、光滑度等参数来达到想要的视觉效果。

在接下来的章节中，我们将深入探讨Unity中的光照技术、标准着色器、自定义光照和材质等内容，帮助你更好地了解和应用这些概念。

# 2. Unity中的光照技术

光照在游戏中扮演着至关重要的角色，它可以为场景增添真实感和细节。在Unity中，我们有两种主要的光照技术可供选择：实时光照和烘焙光照。让我们来深入了解它们的区别和应用。

### 2.1 实时光照和烘焙光照的区别

实时光照是在游戏运行时实时计算光照效果，能够实现动态光照和阴影效果。这使得场景更具交互性和真实感，但需要消耗大量的计算资源。

相比之下，烘焙光照是在编辑器中预先计算光照，并将结果保存在纹理中。这样可以节省运行时的计算资源，但不支持动态光照效果。

### 2.2 Unity中常用的光照技术介绍

在Unity中，我们可以使用内置的全局光照系统如Lighting和Light Probes来实现实时光照效果。也可以通过烘焙光照功能来提高游戏的整体渲染效果。

同时，Unity还支持基于物理的渲染（PBR）技术，能够更真实地模拟光照效果，包括金属、玻璃等材质的反射和折射。

光照技术的选择取决于项目的需求和性能考量，开发者需要根据实际情况进行选择和优化。

# 3. 使用Unity的标准着色器

在Unity中，标准着色器是一种通用的着色器，用于渲染各种材质类型。它支持PBR（Physically Based Rendering）工作流程，可以实现真实感的光照和材质效果。下面我们将详细介绍如何使用Unity的标准着色器来调整材质属性和光照效果。

#### 3.1 标准着色器的基本原理

标准着色器是基于PBR的，它使用Metallic（金属度）、Smoothness（光滑度）、Albedo（漫反射颜色）等属性来定义材质的外观。它还支持高光、环境光、阴影等光照效果，能够在不同的光照环境下自然地反射光线。

下面是一个简单的使用标准着色器的示例代码：

using UnityEngine;

public class StandardShaderExample : MonoBehaviour
{
    public Material material;

    void Start()
    {
        // 设置材质属性
        material.SetFloat("_Metallic", 0.5f); // 设置金属度
        material.SetFloat("_Glossiness", 0.5f); // 设置光滑度
        material.SetColor("_Color", Color.red); // 设置漫反射颜色
    }
}

在这个示例中，我们通过代码设置了材质的金属度、光滑度和漫反射颜色。这些属性会影响材质在光照环境下的表现。

#### 3.2 调整材质属性和光照效果

除了在代码中设置材质属性外，Unity编辑器中也提供了丰富的工具来调整材质的外观和光照效果。通过修改材质的Inspector面板，可以直观地调整材质的漫反射颜色、金属度、光滑度等属性，并且能够实时预览光照效果。

另外，Unity还支持在场景中添加不同类型的光源，并可以通过调整光源的参数来改变场景的光照效果。通过这些工具和功能，开发者可以快速调整材质和光照效果，实现预期的视觉效果。

通过本章节的学习，我们了解了使用Unity的标准着色器来调整材质属性和光照效果的基本原理和方法。在接下来的章节中，我们将进一步学习如何自定义光照和材质，以及实现更真实的光照效果。

# 4. 自定义光照和材质

在Unity中，我们可以通过自定义Shader来实现个性化的光照模型和材质效果。通过利用Shader编写自定义光照模型和使用ShaderLab语言创建自定义材质，我们可以实现更加独特和符合需求的视觉效果。

#### 4.1 利用Shader编写自定义光照模型

自定义Shader可以让我们控制光照如何作用于场景中的物体表面。以下是一个简单的基于Unity Shader语言的自定义光照模型示例：

Shader "Custom/LightModel"
{
    Properties
    {
        _MainTex("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }

    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        sampler2D _MainTex;
        fixed4 _Color;

        void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }

    FallBack "Diffuse"
}

在这个示例中，我们定义了一个名为"Custom/LightModel"的Shader，使用了Lambert光照模型，并且将传入的纹理和颜色应用到表面上。通过修改surf函数中的处理逻辑，我们可以实现各种各样的光照效果。

#### 4.2 使用ShaderLab语言创建自定义材质

ShaderLab语言是Unity中用于定义Shader和材质的高级语言，它提供了丰富的功能来控制渲染的细节。以下是一个简单的ShaderLab语言示例，用于创建自定义材质：

Shader "Custom/Material"
{
    Properties
    {
        _MainTex("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _Metallic("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
        _Smoothness("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
    }

    SubShader
    {
        Tags { "Queue" = "Transparent" }

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                UNITY_FOG_COORDS(1)
                float4 vertex : SV_POSITION;
            };

            sampler2D _MainTex;
            fixed4 _Color;
            float _Metallic;
            float _Smoothness;

            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;
                // 在这里添加光照和材质计算逻辑
                return col;
            }
            ENDCG
        }
    }

    FallBack "LightMode"
}

在这个示例中，我们定义了一个名为"Custom/Material"的Shader，对应一个透明渲染队列。在Pass中，我们指定了顶点处理函数和片段处理函数，并且定义了传入变量和材质属性。通过在frag函数中添加光照和材质计算逻辑，我们可以实现自定义的材质效果。

通过自定义光照模型和材质，我们可以实现各种独特的视觉效果，让游戏或应用呈现出更加令人惊叹的画面。

# 5. 真实感光照与材质

在游戏开发中，我们通常追求真实感的光照和材质效果，以增强游戏的沉浸感和逼真程度。下面我们将讨论在Unity中实现真实感光照与材质的技术和方法。

#### 5.1 实时渲染中的真实感光照技术

实时渲染中实现真实感光照的关键在于使用基于物理的光照模型，比如基于能量守恒和菲涅尔效应的光照算法。Unity提供了基于PBR的渲染管线，可以帮助开发者实现真实感的光照效果。

PBR（Physically Based Rendering）是一种基于物理的渲染技术，通过模拟真实世界中光线的行为，实现更真实的光照效果。PBR考虑了光线对材质的表面反射、折射和吸收等物理特性，能够在视觉上更接近真实世界的光照效果。

#### 5.2 使用PBR（Physically Based Rendering）实现真实感材质

除了光照效果，材质的真实感也是实现游戏逼真效果的重要因素。在Unity中，可以使用PBR材质来实现真实感材质效果。PBR材质考虑了光线的能量反射、表面粗糙度等因素，可以呈现出更真实的质感和光照反射效果。

// 示例代码：使用Unity PBR材质
Material material = new Material(Shader.Find("Standard"));
material.SetTexture("_MainTex", albedoMap); // 设置漫反射贴图
material.SetTexture("_MetallicGlossMap", metallicGlossMap); // 设置金属度和光泽度贴图
material.SetTexture("_NormalMap", normalMap); // 设置法线贴图
material.SetFloat("_Metallic", metallicValue); // 设置金属度
material.SetFloat("_Glossiness", glossinessValue); // 设置光泽度
gameObject.GetComponent<Renderer>().material = material; // 应用到游戏对象上

通过使用PBR材质和实时光照技术，可以使游戏场景和角色呈现出更真实的光照与材质效果，提升游戏的视觉质量和沉浸感。

以上是关于在Unity中实现真实感光照与材质的介绍，希望对您有所帮助。

# 6. 最佳实践与性能优化

在Unity中，光照和材质的使用对游戏的性能影响非常大。因此，在开发过程中，需要注意一些最佳实践和性能优化的技巧。

#### 6.1 最佳光照和材质实践

- 使用合适的光照技术：根据游戏场景的需求选择合适的光照技术，避免过度使用实时光照或烘焙光照。
- 合理使用光照贴图：尽量减少光照贴图的尺寸和数量，避免过度消耗内存和GPU资源。
- 优化材质属性：精简材质的属性，删除不必要的贴图和特效，减少渲染开销。

#### 6.2 光照和材质对性能的影响以及优化方法

- 减少实时光照的数量：过多的实时光照会增加渲染开销，合理减少实时光源的数量，使用烘焙光照来提高性能。
- 使用GPU Instancing：对于大量使用相同材质的物体，可以使用GPU Instancing 来批量渲染，减少Draw Call 的数量，提高性能。
- 进行合批：尽量将材质相同且渲染顺序相近的物体进行合批处理，减少渲染开销，提高性能。

以上是最佳实践与性能优化的一些常见方法，通过合理的光照和材质的设置以及优化手段，可以有效提升游戏的性能和用户体验。