【光照】[各向异性]在UnityURP中的实现
【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达Kajiya-Kay模型在Unity URP中的BRDF实现
模型原理与特点
Kajiya-Kay模型是一种专门用于模拟头发、毛发等纤维状材质各向异性高光的光照模型，其核心特点是用切线方向替代传统法线方向计算高光反射。该模型具有以下特性：
[*]切线空间计算：使用切线向量(Tangent)或副切线(Bitangent)替代法线向量，通过TdotH = dot(tangent, halfVector)计算高光强度，再转换为TsinH = sqrt(1 - TdotH²)实现条状高光效果。
[*]双层高光特性：主高光(Primary Specular)靠近发梢，次高光(Secondary Specular)靠近发根且带有彩色偏移，模拟Marschner模型的散射特性。
[*]切线偏移技术：通过噪声贴图扰动切线方向(ShiftTangent函数)，增强高光的动态变化和真实感。
URP中的BRDF结构
在Unity URP中，BRDF通常基于Cook-Torrance微表面模型，包含
三个核心组件：
[*]D项 法线分布函数：描述微表面法线的分布，常用GGX模型。
[*]F项 菲涅尔项：使用Schlick近似计算反射光强。
[*]G项 几何遮蔽项：采用Smith联合阴影函数，结合光方向和视线方向的遮蔽效果。
URP中的BRDF数据通常包含以下字段：
csharp
struct BRDF {
float3 diffuse;// 材料身颜色
float3 specular;// 材料本身的高光颜色
float roughness;// 粗糙度
float perceptualRoughness;// 感知粗糙度
float fresnel;// 材料本身菲涅尔反射颜色
}Kajiya-Kay与BRDF的整合方法
要将Kajiya-Kay模型融入URP的BRDF框架，需要进行以下
关键处理：
[*]切线空间转换：
[*]使用TBN矩阵(切线-副切线-法线矩阵)将标准BRDF计算转换到切线空间
[*]在顶点着色器中计算并传递切线空间向量
[*]高光项替换：
[*]用Kajiya-Kay的D_KajiyaKay函数替换标准BRDF中的D项
[*]保持F项和G项不变，或根据需要进行调整
[*]双层高光实现：
[*]主高光使用原始切线方向计算
[*]次高光使用偏移后的切线方向计算，并赋予不同颜色
完整实现代码
以下是Kajiya-Kay BRDF在URP Shader中的完整实现框架：
hlsl
// 1. 计算偏移后的切线方向
float3 ShiftTangent(float3 T, float3 N, float shift) {
return normalize(T + N * shift);
}
// 2. Kajiya-Kay高光计算
float D_KajiyaKay(float3 T, float3 H, float shininess) {
float TdotH = dot(T, H);
float sinTH = sqrt(1.0 - TdotH * TdotH);
return pow(sinTH, shininess);
}
// 3. BRDF整合计算
void Lighting_KajiyaKay(
SurfaceData surface,
inout Light light,
inout BRDFData brdf,
inout float3 specular)
{
// 切线空间转换
float3 T = surface.tangent;
float3 B = cross(surface.normal, T) * surface.tangent.w;
float3 N = surface.normal;
// 计算主高光
float3 H = normalize(light.dir + viewDir);
float3 T_shifted = ShiftTangent(T, N, _ShiftAmount1);
float3 H_shifted = normalize(light.dir + viewDir);
// 计算次高光
float3 T_shifted2 = ShiftTangent(T, N, _ShiftAmount2);
float3 H_shifted2 = normalize(light.dir + viewDir);
// 计算高光项
float specular1 = D_KajiyaKay(T_shifted, H_shifted, _Shininess1);
float specular2 = D_KajiyaKay(T_shifted2, H_shifted2, _Shininess2);
// 组合结果
specular = _SpecColor1 * specular1 + _SpecColor2 * specular2;
// 标准BRDF漫反射部分
brdf.diffuse = surface.color * (1.0 - _Metallic);
brdf.specular = lerp(0.04, surface.color, _Metallic);
brdf.roughness = _Roughness;
}实现要点说明
纹理需求：
[*]基础色贴图(Albedo)
[*]各向异性噪声贴图(控制高光扰动)
[*]半透明通道(Alpha贴图)
优化技巧：
[*]利用URP内置函数SafeNormalize和NormalizeNormalPerPixel提升计算稳定性
[*]副切线(Bitangent)通过cross(N, T) * tangent.w正确生成，避免UV方向错误
参数设置：
[*]_ShiftAmount1/2：控制主次高光的切线偏移量
[*]_Shininess1/2：控制主次高光的锐利程度
[*]_SpecColor1/2：设置主次高光的颜色
该实现通过将Kajiya-Kay模型的核心计算融入URP的标准BRDF框架，既保持了PBR工作流的兼容性，又实现了纤维材质特有的各向异性高光效果
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