【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

URP BRDF漫反射方法對比

具體實現方法及示例

Lambert模型（URP默認）

hlsl
// Lighting.hlsl 中的實現
half3 DiffuseLambert(half3 diffuseColor)
{
    return diffuseColor / PI; // 能量歸一化
}

// 實際調用示例
half NdotL = saturate(dot(normalWS, light.direction));
half3 lambert = DiffuseLambert(_BaseColor.rgb) * NdotL;

Half-Lambert（Valve改進版）

hlsl
half3 DiffuseHalfLambert(half3 diffuseColor, half NdotL)
{
    half wrap = 0.5 * (NdotL + 1.0);
    return diffuseColor * wrap * wrap;
}

// 調用示例
half3 halfLambert = DiffuseHalfLambert(_BaseColor.rgb, NdotL);

Disney Diffuse（URP Lit.shader使用）

hlsl
// BRDF.hlsl 中的實現
half3 DiffuseDisney(half3 baseColor, half NdotV, half NdotL, half LdotH, half roughness)
{
    half fd90 = 0.5 + 2 * LdotH * LdotH * roughness;
    half lightScatter = (1 + (fd90 - 1) * pow(1 - NdotL, 5));
    half viewScatter = (1 + (fd90 - 1) * pow(1 - NdotV, 5));
    return baseColor * lightScatter * viewScatter / PI;
}

URP實際使用情況

• ‌默認採用方案‌：

  • Simple Lit管線：Lambert模型（簡化版）
  • Lit管線：Disney Diffuse + Burley改進（見BRDF.hlsl）

• ‌核心代碼路徑‌：

  Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/BRDF.hlsl
  → DirectBDRF()函數
  → DisneyDiffuse()分支
  

• ‌性能優化策略‌：

  csharp
  // URP Asset中可關閉高質量漫反射
  UniversalRenderPipelineAsset.asset →
  Lighting → UseRoughnessRefraction = false
  

方法對比

• ‌視覺差異‌：
  • Lambert：明暗對比強烈
  • Half-Lambert：暗部提亮約30%
  • Disney：邊緣光更自然（菲涅爾效應）
• ‌推薦選擇‌：
  • 移動端：Lambert（Simple Lit）
  • 主機/PC：Disney（Lit Shader）
  • 風格化：Half-Lambert（需自定義Shader）

URP 2022 LTS版本中，主流的Lit.shader默認使用改進版Disney模型，通過#define _BRDF_BURLEY宏啓用。開發者可通過修改BRDF.hlsl中的#define語句切換不同模型。

除了以上Unity URP中涉及到的基於物理光照模型的漫反射實現方式，還有Oren-Nayar模型來實現漫反射

Oren-Nayar模型原理

• ‌核心思想‌：

  由Michael Oren和Shree Nayar於1994年提出，基於‌微表面自陰影理論‌，適用於粗糙表面（如布料、砂石）。其公式為：

  $L = k_d * max(0, N·L) * (A + B * max(0, cos(φ_v-φ_l)) * sin(α) * tan(β))$

  $A = 1 - 0.5*(σ²)/(σ²+0.33)$

  $B = 0.45*(σ²)/(σ²+0.09)$

  $α = max(θ_v, θ_l)$

  $β = min(θ_v, θ_l)$

  • σ：表面粗糙度參數（0°-90°）
  • φ：方位角

• ‌視覺特性‌：

  • 粗糙表面邊緣亮度增強
  • 逆向光時出現"後向散射"效果
  • 相比Lambert更符合真實布料觀測

Unity URP中的使用情況

• ‌默認未採用原因‌：
  • ‌性能考量‌：需要額外計算角度和粗糙度（比Lambert多30%指令數）
  • ‌藝術控制‌：參數物理意義不如PBR直觀
  • ‌光照一致性‌：URP優先保證移動端性能
• ‌替代方案‌：
  • 簡單場景：使用SimpleLit的Lambert
  • 複雜材質：通過LitShader的Smoothness參數間接控制

手動實現方案

若需在URP中使用Oren-Nayar，可修改BRDF.hlsl：

hlsl
// 在BRDF.hlsl中添加
half3 DiffuseOrenNayar(half3 albedo, half roughness, half NdotV, half NdotL, half LdotV)
{
    half sigma2 = roughness * roughness;
    half A = 1.0 - 0.5 * sigma2 / (sigma2 + 0.33);
    half B = 0.45 * sigma2 / (sigma2 + 0.09);

    half s = LdotV - NdotL * NdotV;
    half t = s > 0 ? 1.0 / max(NdotL, NdotV) : 1.0;

    return albedo * (A + B * s * t) * NdotL;
}

適用場景建議

• ‌推薦使用情況‌：

  • 風格化渲染（如手繪布料）
  • 考古/地質仿真項目
  • 需要特殊邊緣光效果的場景

• ‌性能對比‌：

  模型	指令數(移動端)	內存訪問
  Lambert	12	3
  Oren-Nayar	38	5
  Disney	45	6

當前URP 2022 LTS版本中，可通過自定義Shader Graph節點實現Oren-Nayar，但官方未內置因其不符合URP的"性能優先"設計原則。實際項目中建議通過法線貼圖+Lambert近似替代。

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

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