【光照】[高光反射specular]以UnityURP为例
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达高光反射的基本流程
经验光照模型中的高光反射通常遵循以下流程：
[*]入射光计算：确定光源方向和强度
[*]视角向量计算：确定观察者方向
[*]反射向量计算：根据表面法线计算理想反射方向
[*]高光强度计算：使用特定模型计算高光反射强度
[*]最终合成：将高光反射与漫反射和环境光结合
主要高光反射模型及实现
Phong模型 (1975) -经验模型
1975 裴祥风（Bui Tuong Phong）剔除了标准光照模型背后的基本理念。标准光照只关心直接光照direct light。
[*]Phong模型计算高光反射：
[*]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 材质光泽度，也称为反光度shininess。控制高光区域亮点有多宽，Mgloss越大，亮点越小。
特点：
[*]计算反射向量需要额外步骤
[*]高光边缘过渡较硬
[*]计算成本中等
Unity URP应用：
[*]早期移动端简化着色器中使用
[*]现在主要用于教学演示目的
Blinn-Phong模型 (1977) -经验模型
[*]Blinn提出简单方法得出类似效果(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);
[*]摄像机和光源距离物体足够远时，可认为v和I是定值，Blinn模型会快于Phong模型。
[*]当v和I不定时，Phong可能更快。
特点：
[*]比Phong模型计算效率更高
[*]高光过渡更柔和自然
[*]成为游戏行业长期标准
Unity URP选用方案：
[*]URP内置的SimpleLit着色器使用此模型
[*]移动端默认高光方案
Ward各向异性模型 (1992)
实现原理：
$高光 = 光源强度 × 特殊BRDF × exp(-tan²θ/(α²))$
其中：
[*]θ：微表面法线偏差角
[*]α：表面粗糙度参数
特点：
[*]模拟金属/毛发等各向异性材质
[*]计算复杂度较高
[*]需要切线空间信息
Unity URP应用：
[*]不直接内置，需要自定义着色器
[*]常用于头发/丝绸等特殊材质
[*]实现示例：
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)
实现原理：
$高光 = (D × F × G) / (4 × (N·V) × (N·L))$
包含三个函数：
[*]D (微表面分布)：Beckmann/GGX
[*]F (菲涅尔反射)：Schlick近似
[*]G (几何遮蔽)：Smith函数
特点：
[*]物理基础渲染(PBR)核心模型
[*]计算成本最高
[*]需要更多材质参数
Unity URP选用方案：
[*]URP的Lit着色器使用简化版
[*]主要采用GGX分布+Schlick菲涅尔
[*]实现核心：
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的高光实现策略
多级高光系统
URP采用分层的高光处理方案：
质量等级使用模型目标平台特性LowBlinn-Phong低端移动单光源简化Medium改进Blinn-Phong主流移动多光源支持HighCook-TorrancePC/主机PBR工作流Ultra完整PBR高端设备多散射支持URP核心实现
Shader架构：
graph TD A --> B{质量设置} B -->|Low| C B -->|Medium| D[优化Cook-Torrance] B -->|High| E[完整PBR] C --> F[光照累加] D --> F E --> F F --> G[输出合成]关键代码片段：
hlsl
// URP的BRDF处理 (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分布
half D = DistributionGGX(normal, halfVec, roughness);
// 菲涅尔Schlick近似
half3 F = FresnelSchlick(halfVec, viewDir, metallic);
// 几何遮蔽
half G = GeometrySmith(normal, viewDir, lightDir, roughness);
return (D * F * G) / (4.0 * NdotV * NdotL + 0.0001);
}移动端优化技巧
[*]近似计算：
[*]使用半精度浮点(half)
[*]预计算菲涅尔项
[*]简化几何函数
[*]纹理烘焙：
[*]粗糙度映射使用LUT
[*]环境反射使用立方体贴图
[*]着色频率控制：
[*]顶点着色器计算低频高光
[*]像素着色器处理细节
方案选型原因分析
为什么URP选择混合方案？
[*]性能与质量平衡：
[*]低端设备：Blinn-Phong (60%性能提升)
[*]高端设备：PBR (100%物理准确)
[*]美术工作流统一：
[*]统一的光滑度参数(0-1)
[*]自动模型切换无感知
[*]平台适应性：
[*]根据GPU能力动态调整
[*]保留核心视觉一致性
技术对比数据
模型计算周期内存访问视觉保真度Phong18570%Blinn-Phong15475%Cook-Torrance35895%URP优化版22688%实际项目建议
[*]移动游戏：
hlsl
// 使用SimpleLit着色器
Shader "Universal Render Pipeline/Simple Lit"
[*]AAA级项目：
hlsl
// 使用完整PBR管线
Shader "Universal Render Pipeline/Lit"
[*]风格化渲染：
hlsl
// 自定义高光形状
float spec = pow(dotNH, _Glossiness) * step(0.9, dotNH);
Unity URP的高光反射实现体现了现代渲染引擎的设计哲学：在物理精确性与实时性能之间寻找最佳平衡点，通过分层架构满足不同项目需求，同时保持美术工作流的一致性。这种灵活而高效的设计使URP成为跨平台开发的理想选择。
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
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