【节点】[MainLightShadow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

摘要
MainLightShadow节点是Unity URP ShaderGraph中处理主光源阴影的关键工具，支持实时阴影与ShadowMask阴影的动态混合。该节点封装了阴影映射和光照贴图技术，通过LightmapUV和PositionWS输入端口实现高质量阴影效果，输出0-1范围的阴影强度值用于材质调制。文章详细解析了节点功能、端口配置、使用方法及常见问题，并通过基础漫反射、风格化阴影等示例展示其应用场景。节点仅兼容URP管线，需配合正确的场景阴影设置使用，平衡性能与视觉效果。
Main Light Shadow 节点是 Unity URP Shader Graph 中用于处理主光源阴影信息的重要工具。在实时渲染中，阴影是实现真实感光照效果的关键因素之一，它能够为场景中的物体提供深度感和空间关系。该节点专门设计用于获取和混合主光源的阴影数据，包括实时阴影和 ShadowMask 阴影，同时根据场景设置动态调整阴影的混合距离。这使得开发者能够创建更加复杂和逼真的阴影效果，而无需手动编写复杂的着色器代码。
在 Unity 的通用渲染管线中，阴影处理是一个多层次的过程，涉及实时阴影映射、ShadowMask 技术以及阴影混合。Main Light Shadow 节点将这些功能封装成一个易于使用的节点，简化了着色器开发流程。通过该节点，开发者可以轻松访问主光源的阴影信息，并将其应用于材质表面，实现从完全阴影到完全光照的平滑过渡。这在开放世界游戏或动态光照场景中尤为重要，因为阴影需要根据物体与光源的距离和场景设置进行动态调整。
该节点的设计考虑了性能和质量的平衡。它支持 URP 的混合阴影系统，允许在同一个场景中使用实时阴影和烘焙阴影，并根据距离进行无缝混合。这意味着在近处，物体可以使用高质量的实时阴影，而在远处，则可以切换到性能更优的烘焙阴影，从而在保持视觉质量的同时优化渲染性能。此外，节点还处理了 ShadowMask 阴影，这是一种基于光照贴图的阴影技术，适用于静态物体，能够提供高质量的阴影效果而不增加实时计算开销。
使用 Main Light Shadow 节点时，开发者需要理解其输入和输出端口的含义，以及如何将这些端口与其他节点连接以构建完整的阴影效果。例如，通过将节点的输出连接到材质的 Alpha 通道或颜色输入，可以控制阴影的强度和分布。同时，节点还支持自定义光照贴图 UV 和世界空间位置输入，这使得它能够适应复杂的材质需求，如基于物体位置动态调整阴影。
在本文中，我们将深入探讨 Main Light Shadow 节点的各个方面，包括其详细描述、端口功能、使用方法、示例应用以及常见问题解答。通过阅读本文，您将能够掌握如何高效地使用该节点来增强您的 URP 项目中的阴影效果。
描述

Main Light Shadow 节点是 URP Shader Graph 中的一个功能节点，主要用于获取主光源的阴影信息。阴影在实时渲染中扮演着关键角色，它不仅增强了场景的真实感，还帮助用户理解物体之间的空间关系。该节点通过结合实时阴影和 ShadowMask 阴影数据，提供了一个统一的接口来处理主光源的阴影计算。实时阴影是通过动态阴影映射技术生成的，适用于移动物体或动态光源，而 ShadowMask 阴影则是基于预计算的光照贴图，适用于静态物体，以优化性能。
该节点的一个核心特性是其能够根据场景设置动态调整阴影的混合距离。在 URP 中，阴影混合是一种技术，用于在实时阴影和烘焙阴影之间实现平滑过渡。例如，在近距离内，物体可能使用实时阴影以保持高精度和动态响应，而在远距离，则切换到 ShadowMask 阴影以减少计算开销。Main Light Shadow 节点自动处理这种混合过程，输出一个介于 0 到 1 之间的值，其中 0 表示完全阴影（无光照），1 表示完全光照（无阴影）。这使得开发者可以轻松地将阴影效果集成到材质中，无需关心底层的混合逻辑。
此外，Main Light Shadow 节点还支持光照贴图 UV 输入，这使得它能够正确处理基于光照贴图的阴影信息。光照贴图是一种预先计算的光照数据，存储在纹理中，用于静态物体的阴影和光照。通过提供正确的光照贴图 UV，节点可以采样 ShadowMask 数据，并将其与实时阴影混合。世界空间位置输入则用于计算实时阴影，因为它提供了物体在场景中的准确位置，以便与阴影映射进行比较。
该节点的输出是一个浮点值，表示混合后的阴影强度。这个值可以用于调制材质的颜色、透明度或其他属性，以实现阴影效果。例如，在简单的漫反射材质中，可以将阴影输出与基础颜色相乘，使得阴影区域变暗。在更复杂的材质中，阴影输出可能用于控制高光强度或反射率，以模拟更真实的光照行为。
需要注意的是，Main Light Shadow 节点仅适用于通用渲染管线。在高清渲染管线中，阴影处理方式不同，因此该节点不被支持。在 URP 中，节点的行为还受到项目设置中的阴影配置影响，例如阴影距离、ShadowMask 模式和混合参数。因此，在使用该节点时，开发者应确保场景和项目设置正确，以获得预期的阴影效果。
支持的渲染管线

• 通用渲染管线：Main Light Shadow 节点完全兼容 URP，并利用了 URP 的阴影管线和混合系统。在 URP 中，该节点可以访问实时阴影映射和 ShadowMask 数据，并根据场景设置进行混合。这使得它成为 URP 项目中处理主光源阴影的首选工具。
  

高清渲染管线不支持此节点：HDRP 使用不同的阴影和光照系统，包括更高级的阴影映射技术和光线追踪阴影。因此，Main Light Shadow 节点在 HDRP 中不可用。HDRP 用户应使用 HDRP 特定的阴影节点或着色器功能来实现类似效果。
端口

Main Light Shadow 节点包含多个输入和输出端口，每个端口都有特定的功能和绑定类型。理解这些端口的含义和用法是正确使用该节点的关键。以下将详细说明每个端口的作用，并提供使用示例。
名称方向类型绑定描述Lightmap UV输入Vector 2无输入光照贴图的 UV 坐标，用于采样 ShadowMask 阴影数据。如果未提供，节点可能使用默认的 UV 或无法正确混合 ShadowMask 阴影。Position WS输入Vector 3World Space输入世界空间的顶点位置信息，用于计算实时阴影。该位置应与渲染的物体表面点一致，以确保阴影映射正确采样。Out输出Float无输出混合后的主光源阴影信息，范围从 0 到 1。0 表示完全阴影（无光照），1 表示完全光照（无阴影）。该输出可用于调制材质属性，如颜色或透明度。Lightmap UV 输入端口

Lightmap UV 输入端口用于接收光照贴图的 UV 坐标，这些坐标用于采样 ShadowMask 阴影数据。光照贴图是预计算的光照和阴影信息，存储在纹理中，适用于静态物体。在 URP 中，ShadowMask 阴影是一种基于光照贴图的阴影技术，它允许静态物体使用高质量的烘焙阴影，而不需要实时计算。

• 功能说明：当提供 Lightmap UV 时，Main Light Shadow 节点会使用这些坐标来查找 ShadowMask 纹理中的阴影数据。这对于静态物体至关重要，因为它们依赖于光照贴图来表现阴影。如果未提供 Lightmap UV，节点可能无法正确混合 ShadowMask 阴影，导致阴影效果不完整或错误。
  
• 使用示例：在 Shader Graph 中，您可以通过 UV 节点或自定义计算来生成 Lightmap UV。通常，静态物体的光照贴图 UV 在导入模型时自动生成，并存储在模型的第二套 UV 通道中。您可以使用 Texture Coordinate 节点并选择 Lightmap 通道来获取这些 UV。
  
• 注意事项：如果您的场景中未使用 ShadowMask 阴影，或者物体是动态的，则 Lightmap UV 输入可能不是必需的。但在大多数情况下，提供正确的 Lightmap UV 可以确保阴影混合的正确性，尤其是在静态和动态物体共存的场景中。
  

Position WS 输入端口

Position WS 输入端口用于接收世界空间中的顶点位置信息。该位置用于实时阴影计算，因为实时阴影映射基于世界空间中的深度比较。节点使用这个位置来查询主光源的阴影映射纹理，确定该点是否处于阴影中。

• 功能说明：Position WS 应代表渲染物体表面的具体点位置。在顶点着色器阶段，这通常是顶点的世界位置；在片段着色器阶段，这可能是插值后的世界位置。使用片段级的世界位置可以提高阴影的精度，尤其是在曲面或细节丰富的物体上。
  
• 使用示例：在 Shader Graph 中，您可以使用 Position 节点并设置为 World Space 来获取 Position WS。然后，将其连接到 Main Light Shadow 节点的 Position WS 输入端口。对于高质量阴影，建议在片段着色器中使用世界位置，但这可能会增加计算开销。
  
• 注意事项：如果未提供 Position WS，节点可能无法计算实时阴影，导致阴影效果缺失。此外，位置信息应与阴影映射的坐标系一致，以避免阴影偏移或错误。在移动物体上，实时阴影会根据位置动态更新，因此确保位置输入准确至关重要。
  

Out 输出端口

Out 输出端口是节点的最终输出，提供一个浮点值，表示混合后的主光源阴影强度。这个值范围从 0 到 1，其中 0 表示该点完全处于阴影中（无主光源照射），1 表示该点完全被主光源照亮。

• 功能说明：输出值结合了实时阴影和 ShadowMask 阴影，并根据场景的阴影混合设置进行插值。例如，在阴影混合距离内，输出可能介于 0 和 1 之间，表示部分阴影。开发者可以使用这个值来调制材质的外观，如降低阴影区域的亮度或调整高光效果。
  
• 使用示例：将 Out 端口连接到材质的 Base Color 输入，并通过乘法节点将其与颜色值结合，可以实现基本的阴影变暗效果。例如，Base Color * Shadow Output 会使阴影区域变暗。您还可以使用该输出控制其他属性，如透明度或发射强度，以创建更复杂的效果。
  
• 注意事项：输出值是一个标量，因此它仅表示阴影的强度，而不包含颜色或方向信息。对于多光源阴影，Main Light Shadow 节点仅处理主光源（通常是场景中最亮的方向光）。如果需要其他光源的阴影，应使用额外的阴影节点或自定义计算。
  

端口绑定和类型

端口的绑定和类型决定了它们如何与其他节点交互。Main Light Shadow 节点的输入端口没有强制绑定，但建议根据功能需求提供正确的数据。输出端口是一个简单的浮点值，可以轻松连接到任何接受浮点输入的端口。

• Lightmap UV 端口：类型为 Vector 2，表示二维纹理坐标。它没有特定绑定，但应来自光照贴图 UV 源。
  
• Position WS 端口：类型为 Vector 3，绑定到世界空间。这意味着输入的位置数据应在世界坐标系中表示。
  
• Out 端口：类型为 Float，无绑定，可直接用于调制其他属性。
  

通过正确使用这些端口，开发者可以充分利用 Main Light Shadow 节点的功能，实现高质量的阴影效果。在下一部分中，我们将通过具体示例展示如何在实际项目中使用该节点。
使用方法

使用 Main Light Shadow 节点需要一定的设置步骤，包括配置输入数据、连接输出以及调整场景参数。以下将详细介绍如何在 URP Shader Graph 中正确使用该节点，并提供一个完整的示例。
基本设置

首先，在 Shader Graph 中创建一个新图形或打开现有图形。然后，从节点库中添加 Main Light Shadow 节点。通常，该节点位于 Light 类别下。添加后，您将看到其输入和输出端口。

• 步骤 1：提供 Position WS 输入。使用 Position 节点，将其空间设置为 World Space，然后连接到 Main Light Shadow 节点的 Position WS 端口。这确保了实时阴影的正确计算。
  
• 步骤 2：提供 Lightmap UV 输入（可选但推荐）。使用 Texture Coordinate 节点，将其通道设置为 Lightmap，然后连接到 Lightmap UV 端口。这对于静态物体的 ShadowMask 阴影至关重要。
  
• 步骤 3：使用 Out 输出。将 Out 端口连接到您的材质属性，例如 Base Color。您可能需要使用乘法或其他数学节点来调制阴影效果。
  

示例：创建基础阴影材质

以下是一个简单示例，演示如何使用 Main Light Shadow 节点创建一个具有阴影效果的漫反射材质。

• 创建新 Shader Graph：在 Unity 编辑器中，右键单击项目窗口，选择 Create > Shader Graph > URP > Lit Shader Graph。命名并打开该图形。
  
• 添加 Main Light Shadow 节点：在 Shader Graph 窗口中，右键单击空白区域，搜索 "Main Light Shadow" 并添加节点。
  
• 设置输入：添加 Position 节点（设置为 World Space）并连接到 Position WS 输入。添加 Texture Coordinate 节点（设置为 Lightmap）并连接到 Lightmap UV 输入。
  
• 连接输出：添加 Multiply 节点。将 Main Light Shadow 节点的 Out 输出连接到 Multiply 节点的 A 输入，将 Base Color 属性连接到 B 输入。然后将 Multiply 节点的输出连接到主节点的 Base Color 输入。
  
• 测试效果：在场景中创建一个材质，使用该 Shader Graph，并将其应用于一个物体。确保场景中有主光源（如方向光）并启用了阴影。调整光源位置和阴影设置以观察效果。
  

在这个示例中，阴影输出会调制基础颜色，使得阴影区域变暗。您可以通过调整光源或物体位置来验证实时阴影，并通过烘焙光照来测试 ShadowMask 阴影。
高级用法

对于更复杂的效果，Main Light Shadow 节点可以与其他节点结合使用。例如：

• 阴影颜色调整：使用 Color 节点和 Lerp 节点，根据阴影输出在阴影颜色和光照颜色之间插值。这可以实现彩色阴影或风格化效果。
  
• 阴影强度控制：添加一个浮点属性，用于缩放阴影输出。例如，Shadow Output * Shadow Strength，其中 Shadow Strength 是一个可调参数，允许艺术家控制阴影的黑暗程度。
  
• 多通道阴影：将阴影输出用于其他光照计算，如高光或环境光遮蔽。例如，在高光计算中，减少阴影区域的高光强度以增强真实感。
  

场景配置

Main Light Shadow 节点的行为受项目设置中的阴影配置影响。在 Unity 编辑器中，转到 Edit > Project Settings > Graphics > URP Global Settings（或直接编辑 URP 资产），检查阴影相关设置：

• 阴影距离：控制实时阴影的渲染距离。超出此距离的物体不会投射实时阴影，可能依赖 ShadowMask。
  
• ShadowMask 模式：例如，ShadowMask 或 Distance Shadowmask。在 Distance Shadowmask 模式下，URP 会在一定距离内混合实时阴影和 ShadowMask 阴影。
  
• 混合参数：如阴影混合距离，控制实时阴影和烘焙阴影之间的过渡区域。
  

确保这些设置与您的项目需求匹配。例如，在开放世界游戏中，您可能设置较大的阴影距离和平滑的混合参数，以实现无缝的阴影过渡。
性能考虑

使用 Main Light Shadow 节点时，应注意性能影响：

• 实时阴影：依赖于阴影映射，可能增加 GPU 负载。尽量减少实时阴影的分辨率和距离，以优化性能。
  
• ShadowMask 阴影：基于光照贴图，对性能影响较小，但需要预计算和内存存储。确保光照贴图分辨率适中，避免过度占用内存。
  
• 混合计算：阴影混合在着色器中执行，增加片段着色器的计算量。在低端设备上，考虑简化混合逻辑或使用更高效的阴影技术。
  

通过遵循这些使用方法，您可以有效地集成 Main Light Shadow 节点到您的 URP 项目中，实现高质量且性能友好的阴影效果。
示例与效果展示

为了更好地理解 Main Light Shadow 节点的应用，本节将通过几个具体示例展示其在不同场景下的效果。每个示例将包括设置步骤、效果描述和可能的变体。
示例 1：基础漫反射阴影

这是最简单的应用场景，演示如何将主光源阴影应用于标准漫反射材质。

• 设置步骤：
  
  
  
  • 在 Shader Graph 中，创建如上文所述的图形，其中 Main Light Shadow 输出与基础颜色相乘。
    
  • 应用材质到一个立方体或球体，并放置在一个平面上。
    
  • 添加一个方向光作为主光源，启用实时阴影。
    
  
  
• 效果描述：当物体移动时，实时阴影会动态更新。如果场景包含烘焙光照，ShadowMask 阴影将用于静态物体，并与实时阴影混合。例如，当物体靠近静态物体时，阴影会平滑过渡。
  
• 变体：尝试调整光源的阴影强度或颜色，观察阴影输出的变化。您还可以通过修改阴影混合距离来改变过渡效果。
  

示例 2：风格化阴影

在这个示例中，我们使用 Main Light Shadow 节点创建非真实感阴影，例如卡通风格或彩色阴影。

• 设置步骤：
  
  
  
  • 在 Shader Graph 中，添加一个 Color 节点用于阴影颜色（例如，蓝色）。
    
  • 使用 Lerp 节点，将基础颜色和阴影颜色作为输入，Main Light Shadow 输出作为插值因子。
    
  • 连接 Lerp 输出到 Base Color。
    
  
  
• 效果描述：阴影区域显示为蓝色，而非简单的变暗。这可以用于艺术化渲染或特定游戏风格。
  
• 变体：尝试使用纹理采样或其他颜色逻辑来创建更复杂的效果，例如渐变阴影或图案阴影。
  

示例 3：动态阴影调制

这个示例展示如何根据阴影输出动态调整其他材质属性，如高光或透明度。

• 设置步骤：
  
  
  
  • 在 Shader Graph 中，将 Main Light Shadow 输出连接到 Specular 输入。例如，使用乘法节点减少阴影区域的高光强度。
    
  • Alternatively，将阴影输出用于 Alpha 控制，实现阴影区域的半透明效果。
    
  
  
• 效果描述：在阴影区域，物体表面变得不那么反光或部分透明，增强真实感或创建特殊效果。
  
• 变体：结合其他光照节点，如 Main Light 节点，来实现更复杂的光照模型。
  

示例 4：多光源阴影处理

虽然 Main Light Shadow 节点仅处理主光源阴影，但可以与其他技术结合来处理多光源阴影。

• 设置步骤：
  
  
  
  • 使用 Additional Lights 节点获取其他光源信息，并手动计算阴影（例如，通过屏幕空间阴影或自定义阴影映射）。
    
  • 将主光源阴影与其他阴影结合，例如取最小值或平均值，以模拟多光源阴影。
    
  
  
• 效果描述：物体在所有光源下都投射阴影，提供更真实的光照交互。
  
• 变体：在性能允许的情况下，使用 URP 的阴影堆栈或其他资产扩展多阴影支持。
  

通过这些示例，您可以看到 Main Light Shadow 节点的灵活性和强大功能。在实际项目中，根据需求调整设置和组合其他节点，可以实现各种阴影效果。
常见问题与解决方案

在使用 Main Light Shadow 节点时，可能会遇到一些问题。本节列出常见问题及其解决方案，帮助您快速排除故障。
问题 1：阴影不显示或显示不正确

• 可能原因：
  
  
  
  • Position WS 输入不正确：如果位置数据不准确，实时阴影可能无法计算。
    
  • Lightmap UV 缺失或错误：如果未提供 Lightmap UV，ShadowMask 阴影可能无法工作。
    
  • 场景阴影设置错误：例如，阴影距离过小或 ShadowMask 未启用。
    
  
  
• 解决方案：
  
  
  
  • 检查 Position WS 输入是否来自世界空间位置节点，并确保在片段着色器中使用以提高精度。
    
  
  

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