【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

高光反射的基本流程

經驗光照模型中的高光反射通常遵循以下流程：

• ‌入射光計算‌：確定光源方向和強度
• ‌視角向量計算‌：確定觀察者方向
• ‌反射向量計算‌：根據表面法線計算理想反射方向
• ‌高光強度計算‌：使用特定模型計算高光反射強度
• ‌最終合成‌：將高光反射與漫反射和環境光結合

主要高光反射模型及實現

Phong模型 (1975) -經驗模型

1975 裴祥風（Bui Tuong Phong）剔除了標準光照模型背後的基本理念。標準光照只關心直接光照direct light。

• Phong模型計算高光反射：

  • 反射方向：$r=2(n·I)n-I$
  • $C_{specular}=(C_{light}·M_{specular})max(0,v·r)^{M_{gloss}}$

  fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
  fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
  fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
  

  • Mgloss 材質光澤度，也稱為反光度shininess。控制高光區域亮點有多寬，Mgloss越大，亮點越小。

‌特點‌：

• 計算反射向量需要額外步驟
• 高光邊緣過渡較硬
• 計算成本中等

‌Unity URP應用‌：

• 早期移動端簡化着色器中使用
• 現在主要用於教學演示目的

Blinn-Phong模型 (1977) -經驗模型

• Blinn提出簡單方法得出類似效果(Blinn-Phong高光反射光照)

  • $h=\frac{(v+I)}{|v+I|}$
  • $C_{specular}=(C_{light}·M_{specular})max(0,n·h)^{M_{gloss}}$

  fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
  fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
  fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
  

  • 攝像機和光源距離物體足夠遠時，可認為v和I是定值，Blinn模型會快於Phong模型。
  • 當v和I不定時，Phong可能更快。

‌特點‌：

• 比Phong模型計算效率更高
• 高光過渡更柔和自然
• 成為遊戲行業長期標準

‌Unity URP選用方案‌：

• URP內置的SimpleLit着色器使用此模型
• 移動端默認高光方案

Ward各向異性模型 (1992)

‌實現原理‌：

$高光 = 光源強度 × 特殊BRDF × exp(-tan²θ/(α²))$

其中：

• θ：微表面法線偏差角
• α：表面粗糙度參數

‌特點‌：

• 模擬金屬/毛髮等各向異性材質
• 計算複雜度較高
• 需要切線空間信息

‌Unity URP應用‌：

• 不直接內置，需要自定義着色器
• 常用於頭髮/絲綢等特殊材質
• 實現示例：

hlsl
float3 T = i.tangent;
float3 B = cross(N, T);
float dotTH = dot(T, H);
float dotBH = dot(B, H);
float spec = exp(-2.0*(dotTH*dotTH + dotBH*dotBH)/(1.0 + dotNH));

Cook-Torrance模型 (1982)

‌實現原理‌：

$高光 = (D × F × G) / (4 × (N·V) × (N·L))$

包含三個函數：

• D (微表面分佈)：Beckmann/GGX
• F (菲涅爾反射)：Schlick近似
• G (幾何遮蔽)：Smith函數

‌特點‌：

• 物理基礎渲染(PBR)核心模型
• 計算成本最高
• 需要更多材質參數

‌Unity URP選用方案‌：

• URP的Lit着色器使用簡化版
• 主要採用GGX分佈+Schlick菲涅爾
• 實現核心：

hlsl
float D = GGXDistribution(N, H, roughness);
float F = SchlickFresnel(dot(H, V));
float G = SmithGeometry(N, V, L, roughness);
float spec = (D * F * G) / (4 * max(dot(N,V), 0.01) * max(dot(N,L), 0.01));

Unity URP的高光實現策略

多級高光系統

URP採用分層的高光處理方案：

URP核心實現

‌Shader架構‌：

‌關鍵代碼片段‌：

hlsl
// URP的BRDF處理 (BRDF.hlsl)
half3 BRDF_Simple(
    half3 albedo, half3 specular,
    half smoothness, half3 normal,
    half3 lightDir, half3 viewDir)
{
    half3 halfVec = SafeNormalize(lightDir + viewDir);
    half NdotH = saturate(dot(normal, halfVec));
    half modifier = pow(NdotH, smoothness * smoothness * 50.0);
    return specular * modifier;
}

// URP的PBR BRDF (BRDF_PBR.hlsl)
half3 BRDF_PBR(
    half3 albedo, half metallic,
    half smoothness, half3 normal,
    half3 lightDir, half3 viewDir)
{
    half perceptualRoughness = 1.0 - smoothness;
    half roughness = perceptualRoughness * perceptualRoughness;

    half3 halfVec = SafeNormalize(lightDir + viewDir);
    half NdotV = saturate(dot(normal, viewDir));
    half NdotL = saturate(dot(normal, lightDir));

    // GGX分佈
    half D = DistributionGGX(normal, halfVec, roughness);
    // 菲涅爾Schlick近似
    half3 F = FresnelSchlick(halfVec, viewDir, metallic);
    // 幾何遮蔽
    half G = GeometrySmith(normal, viewDir, lightDir, roughness);

    return (D * F * G) / (4.0 * NdotV * NdotL + 0.0001);
}

移動端優化技巧

• ‌近似計算‌：
  • 使用半精度浮點(half)
  • 預計算菲涅爾項
  • 簡化幾何函數
• ‌紋理烘焙‌：
  • 粗糙度映射使用LUT
  • 環境反射使用立方體貼圖
• ‌着色頻率控制‌：
  • 頂點着色器計算低頻高光
  • 像素着色器處理細節

方案選型原因分析

為什麼URP選擇混合方案？

• ‌性能與質量平衡‌：
  • 低端設備：Blinn-Phong (60%性能提升)
  • 高端設備：PBR (100%物理準確)
• ‌美術工作流統一‌：
  • 統一的光滑度參數(0-1)
  • 自動模型切換無感知
• ‌平台適應性‌：
  • 根據GPU能力動態調整
  • 保留核心視覺一致性

技術對比數據

實際項目建議

• ‌移動遊戲‌：

  hlsl
  // 使用SimpleLit着色器
  Shader "Universal Render Pipeline/Simple Lit"
  

• ‌AAA級項目‌：

  hlsl
  // 使用完整PBR管線
  Shader "Universal Render Pipeline/Lit"
  

• ‌風格化渲染‌：

  hlsl
  // 自定義高光形狀
  float spec = pow(dotNH, _Glossiness) * step(0.9, dotNH);
  

Unity URP的高光反射實現體現了現代渲染引擎的設計哲學：在物理精確性與實時性能之間尋找最佳平衡點，通過分層架構滿足不同項目需求，同時保持美術工作流的一致性。這種靈活而高效的設計使URP成為跨平台開發的理想選擇。

【從UnityURP開始探索遊戲渲染】專欄-直達

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