【节点】[CustomDiffuse节点]原理解析与实际应用

【Unity Shader Graph 使用与特效实现】专栏-直达

描述

CustomDiffuse节点是Unity URP Shader Graph中一个功能强大的光照计算节点，专门用于实现用户自定义的固有色光照效果。该节点为着色器开发者提供了高度灵活的光照控制能力，允许用户基于物理的渲染原则或艺术化的视觉需求来定义材质的漫反射行为。在实时渲染管线中，漫反射光照是表面着色的基础组成部分，它决定了材质在直接光照下的基本外观特征。

CustomDiffuse节点的核心价值在于其可定制性。与标准的Lambert或Oren-Nayar漫反射模型不同，这个节点不强制使用特定的光照算法，而是将光照计算的各个要素作为输入端口开放给用户。这种设计理念使得开发者能够根据项目特定的视觉风格或性能要求，实现从简单的N·L点积计算到复杂的自定义BRDF模型。

在实际应用场景中，CustomDiffuse节点特别适合那些需要特殊材质表现的场合。比如在风格化渲染中，艺术家可能希望实现非真实感的漫反射过渡，或者在特定类型的表面（如丝绸、绒毛等）上实现物理准确的散射效果。通过组合不同的输入数据和自定义计算逻辑，开发者可以精确控制光线与材质表面的交互方式。

该节点的另一个重要特性是其与URP渲染管线的深度集成。它能够正确处理URP中的多光源设置、光照衰减和阴影信息，确保自定义的漫反射计算能够与引擎的其他渲染组件协同工作。这种集成保证了即使在复杂的场景光照条件下，自定义的漫反射效果也能保持视觉一致性和性能稳定性。

端口

输入端口详解

Diffuse输入端口接收Vector 3类型的数据，代表材质的基础固有色信息。这个端口通常连接到材质的Albedo纹理或基础颜色属性。在物理渲染上下文中，Diffuse输入应该表示材质表面对漫反射光的反射率系数，其数值范围通常在0到1之间。对于高质量的渲染结果，建议使用线性空间颜色值，并确保颜色值符合能量守恒原则。

Light Color输入端口提供灯光本身的颜色信息，这是实现准确色彩再现的关键要素。在URP中，不同类型的灯光（方向光、点光源、聚光灯）都会提供其颜色和强度信息。开发者可以利用这个端口实现各种创意效果，比如通过修改灯光颜色来模拟特殊的光照环境，或者根据表面特性对灯光颜色进行过滤处理。

Light Attenuation端口处理光照的衰减和阴影信息，这是实现真实光照效果的重要组成部分。该输入通常来自Shader Graph中的光照衰减节点，包含了距离衰减、角度衰减以及实时阴影数据。对于高级用法，开发者可以结合Shadowmask和光照探针数据来实现更复杂的光照交互效果。

Normal WS端口要求世界空间下的法线向量输入，这是计算光照方向性的基础。正确的法线数据对于任何基于物理的光照模型都至关重要。在实际使用中，法线信息可以来自顶点法线、法线贴图，或者是通过自定义计算生成的修改法线。确保法线向量为单位长度是获得准确光照结果的必要前提。

Light Direction WS端口提供从表面点到光源的方向向量，同样在世界空间下表示。这个向量通常通过标准化处理，并且指向光源的方向。在多点光源场景中，需要为每个光源分别计算其方向向量。对于方向光，这个方向是恒定的；而对于点光源和聚光灯，则需要基于片元位置实时计算。

输出端口特性

Out输出端口生成最终的自定义漫反射照明结果，以Vector 3形式表示RGB颜色值。这个输出可以直接用于后续的光照计算，或者与其他光照组件（如高光反射、环境光等）进行混合。输出的颜色值应该保持在合理的范围内，避免出现HDR效果，除非后续有适当的色调映射处理。

端口交互与数据流

理解这些端口之间的数据流关系对于有效使用CustomDiffuse节点至关重要。典型的数据处理流程开始于Diffuse和Light Color的乘法组合，这建立了基础的色彩响应。接着通过法线和光照方向的点积计算获得基础的漫反射强度，再结合光照衰减因子来模拟距离和阴影的影响。

在实际的着色器构建过程中，这些端口的连接顺序和数据处理方式可以根据需求灵活调整。例如，在某些卡通渲染风格中，可能会在计算N·L点积后添加一个步进函数来创建硬边缘的阴影过渡。而在追求物理准确性的场景中，则可能使用更复杂的函数来模拟表面粗糙度对漫反射的影响。

核心算法原理

基础光照模型

CustomDiffuse节点的默认行为基于经典的Lambertian漫反射模型，这是计算机图形学中最基础且广泛应用的光照模型之一。Lambert模型的核心理念是表面反射的光线强度与入射光线方向和表面法线夹角的余弦值成正比。数学表达式为：Diffuse = Albedo × LightColor × max(0, N·L)，其中N·L表示法向量与光照方向向量的点积。

这个简单的模型虽然物理上不够精确，但在实时渲染中因其计算效率和直观性而被广泛使用。它假设表面是理想的漫反射体，在各个观察方向上呈现相同的亮度。在实际实现中，max(0, N·L)操作确保了当光线从表面后方照射时不会产生负值光照，这是符合物理直觉的约束。

高级漫反射模型

对于需要更高质量渲染效果的项目，CustomDiffuse节点可以扩展实现更先进的漫反射模型。Oren-Nayar模型是一个著名的改进，它考虑了表面粗糙度对漫反射的影响。与Lambert模型不同，Oren-Nayar不假设表面是完美漫反射体，而是通过粗糙度参数模拟微表面细节对光线的散射效应。

另一个值得关注的模型是Disney principled BRDF中的漫反射组件，它结合了多种散射效应以提供更加物理准确的结果。这种模型通常包含次表面散射的近似模拟，能够更好地表现诸如布料、皮肤等特殊材质的视觉特性。

能量守恒考虑

在实现自定义漫反射模型时，能量守恒是一个重要的物理原则。它要求表面反射的光线总能量不能超过入射光线的能量。在着色器设计中，这意味着漫反射、镜面反射和其他光能传输组件的总和应当合理约束。通过CustomDiffuse节点，开发者可以精确控制漫反射组件的能量分配，确保渲染结果的物理合理性。

实际应用示例

基础Lambert漫反射实现

创建一个基础的Lambert漫反射效果是理解CustomDiffuse节点用法的理想起点。首先需要在Shader Graph中创建相应的节点网络：

• 将Albedo纹理或颜色属性连接到Diffuse输入端口
• 使用URP中的Main Light节点获取主光源的颜色和方向信息
• 通过Transform节点将物体空间法线转换到世界空间
• 计算法线与光照方向的点积，并使用Saturate节点限制结果在0-1范围内
• 将点积结果与光源颜色和Albedo颜色相乘，得到基础的漫反射输出

这种实现方式虽然简单，但已经能够为大多数实体材质提供可信的漫反射效果。它是许多游戏和交互应用中漫反射计算的基础。

风格化卡通渲染

在非真实感渲染中，CustomDiffuse节点可以创造出各种艺术化的光照效果。卡通渲染通常特征化地使用硬阴影边界和有限的颜色过渡。实现这种效果的关键在于对N·L点积结果进行离散化处理：

• 使用Remap节点调整点积的范围和分布
• 通过Posterize节点或自定义的步进函数创建离散的光照级别
• 可以添加边缘光效果，通过在法线与视角方向接近垂直时添加额外的光照项
• 结合阴影色阶，使用多个CustomDiffuse节点分别处理不同光照区域的颜色

这种技术广泛应用于动漫风格的游戏和媒体作品中，能够创造出鲜明、富有表现力的视觉风格。

布料和毛发特殊材质

某些材质类型需要特殊的漫反射处理来准确表现其视觉特性。布料材质通常表现出逆向的反射特性——当光照方向与观察方向相反时反而显得更亮。这种效果可以通过在CustomDiffuse节点中实现Wrap Lighting模型来实现：

• 修改标准的N·L计算，添加一个偏移量：diffuse = saturate((N·L + w) / (1 + w))
• 其中w参数控制包裹效果的强度，典型值在0到1之间
• 对于绒毛材质，可以使用sheen项模拟边缘处的背光散射效果

这些高级用法展示了CustomDiffuse节点在实现特定材质特性时的灵活性和强大功能。

性能优化建议

计算复杂度管理

在使用CustomDiffuse节点实现复杂光照模型时，需要注意计算性能的平衡。实时渲染对着色器的计算效率有严格要求，特别是在移动平台或VR应用中。以下是一些优化建议：

• 尽可能使用最简单的光照模型满足视觉需求
• 避免在CustomDiffuse计算中使用复杂的数学函数如sin、pow等
• 考虑使用近似计算代替精确但昂贵的运算
• 对于静态物体，可以考虑将部分光照信息烘焙到光照贴图中

平台特定优化

不同硬件平台对着色器计算的能力和限制各不相同。在针对多平台开发时，需要特别关注：

• 移动平台通常对分支语句和复杂纹理查询更加敏感
• 在性能受限的情况下，可以考虑使用更低的计算精度（half代替float）
• 某些平台可能对特定类型的数学运算有硬件加速，可以优先使用这些运算

光照模型简化策略

当项目面临性能压力时，可以考虑以下简化策略：

• 使用预计算的查找纹理（LUT）替代实时复杂计算
• 将部分每像素计算转移到每顶点计算
• 在远距离或小尺寸物体上使用简化的光照模型
• 利用URP的着色器变体功能，为不同质量设置提供不同复杂度的实现

常见问题与解决方案

光照不一致问题

在使用CustomDiffuse节点时，可能会遇到不同光源条件下光照效果不一致的问题。这通常是由于没有正确处理多光源环境或光照空间转换错误导致的：

• 确保所有向量计算在相同的坐标空间中进行（通常推荐世界空间）
• 检查法线向量的长度是否为单位长度，非单位法线会导致错误的光照计算
• 验证光照方向向量是否正确指向光源，对于点光源需要基于片元位置计算方向

阴影衔接问题

自定义漫反射模型与URP阴影系统的集成可能会产生视觉瑕疵，特别是在阴影边界处：

• 确保Light Attenuation输入正确包含了阴影信息
• 在自定义模型中考虑阴影柔和度与漫反射过渡的协调性
• 可以使用阴影颜色调制来改善阴影区域的艺术表现

HDR和颜色管理

在高动态范围渲染中，CustomDiffuse节点的输出可能需要特殊处理：

• 注意颜色值范围，避免在未经色调映射的情况下输出HDR值
• 在线性颜色空间下进行所有光照计算，确保物理准确性
• 对于特别明亮的光源，可能需要单独处理以避免颜色过饱和

高级技巧与创意应用

动态材质效果

CustomDiffuse节点不仅可以处理静态光照计算，还可以实现各种动态效果：

• 基于时间或顶点位置调制漫反射颜色，创建动态变化的表面外观
• 结合噪声纹理模拟表面污染、磨损等随时间变化的效果
• 使用世界空间坐标实现与场景位置相关的材质变化

非真实感渲染技术

除了传统的真实感渲染，CustomDiffuse节点在NPR领域也有广泛应用：

• 实现水墨画风格的渐变控制，通过自定义的过渡函数
• 创建素描效果，使用hatching纹理基于光照强度进行混合
• 模拟油画笔触，结合噪声和方向性光照响应

特殊场景应用

在某些特定类型的场景中，CustomDiffuse节点可以提供针对性的解决方案：

• 在水下环境中模拟光线的吸收和散射效应
• 在雾霭场景中实现距离相关的颜色衰减
• 为雪地或沙漠等高反射环境创建特殊的光照响应

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