【光照】Unity[经验模型]和[物理模型]

Unity URP（Universal Render Pipeline）中的光照模型BRDF（双向反射分布函数）是PBR（基于物理的渲染）的核心组成部分，用于模拟真实世界的光照交互。

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

一、BRDF发展历史（时间线）

• ‌1971年‌：Bouknight提出首个光反射模型，引入Lambert漫反射定律计算表面光强，并用环境光处理阴影区域‌。
  
• ‌1975年‌：裴祥风（Phong）提出Phong光照模型，首次结合漫反射、环境光和高光反射，成为图形学首个经验模型‌。
  
• ‌1980年‌：Whitted提出光线追踪模型，整合反射、折射和阴影，但仅适用于理想镜面反射‌。
  
• ‌1982年‌：Cook和Terrance提出Cook-Torrance BRDF模型，基于微表面理论，首次用数学公式描述镜面高光反射‌。
  
• ‌1986年‌：Kajiya提出渲染方程，统一描述光在场景中的流动，BRDF作为核心函数被纳入‌。
  
• ‌2000年代后‌：GGX、Beckmann等法线分布函数（NDF）和几何遮蔽函数（G）的加入，完善了PBR体系（如Unity URP中的实现）‌。
  

二、理论原理

BRDF函数描述入射光方向（ωi）和出射光方向（ωo）的反射关系，核心公式为：
fr(ωi,ωo)=出射辐亮度入射辐照度
关键理论包括：
‌微表面理论‌：

• 表面由无数微小镜面组成，粗糙度决定反射扩散程度‌。
  

‌能量守恒‌：

• 出射光能量 ≤ 入射光能量，粗糙表面反射区域扩大但亮度降低‌。
  

‌菲涅尔效应‌：

• b反射率随视角变化，金属材质表现更明显‌。
  

‌Cook-Torrance模型‌：

• 法线分布函数（NDF）：如GGX描述微表面法线分布‌。
  
• 几何遮蔽函数（G）：如Smith模型处理自遮挡‌。
  
• 菲涅尔项（F）：计算基础反射率‌。完整公式：fr=4⋅(ωi⋅n)⋅(ωo⋅n)D(ωh)⋅F(ωi)⋅G(ωi,ωo)其中，ωh为半向量，n为表面法线‌。
  fr=D(ωh)⋅F(ωi)⋅G(ωi,ωo)4⋅(ωi⋅n)⋅(ωo⋅n)
  

三、实际应用与示例

在Unity URP中，BRDF通过Shader实现，核心应用包括：
‌标准光照模型‌：

1. // 漫反射（Lambert）
2. float3 diffuse = albedo * saturate(dot(lightDir, normal));
3. // 高光反射（Blinn-Phong）
4. float3 specular = pow(saturate(dot(halfVector, normal)), shininess) * specularStrength;

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结合环境光和自发光，形成完整光照‌。
‌PBR材质系统‌：

• 金属度（Metallic）和粗糙度（Roughness）参数控制BRDF行为‌。
  
• 示例：URP Shader中集成GGX NDF和菲涅尔项：实现真实金属/非金属反射‌。
  1. float3 F0 = mix(vec3(0.04), baseColor, metallic);
  2. float3 F = F0 + (1.0 - F0) * pow(1.0 - max(dot(halfVector, viewDir), 0.0), 5.0);
  3. float3 specular = (D * F * G) / (4.0 * max(dot(normal, viewDir), 0.0) * max(dot(normal, lightDir), 0.0));

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‌各向异性反射‌：

• 通过修改NDF模拟拉丝金属等效果.
  

BRDF（双向反射分布函数）与标准光照模型（如Phong模型）是计算机图形学中描述光照交互的两种不同方法，二者在理论基础、计算方式和应用场景上存在显著差异。

一、理论定位差异

‌BRDF‌

• 基于物理的渲染（PBR）核心模型，严格遵循能量守恒和微表面理论，通过数学公式描述光线在任意入射/出射方向上的反射分布‌。
  
• 包含漫反射和镜面反射的完整物理模拟，如GGX法线分布、菲涅尔效应等‌。
  

‌标准光照模型（Phong）

• 经验模型，通过简化渲染方程，将光照分解为环境光、漫反射和镜面反射三部分‌。
  
• 镜面反射使用Phong公式（如(v·r)^n）计算，缺乏物理依据，仅依赖经验参数（如高光指数n）‌。
  

二、计算方式对比

特性BRDF模型Phong模型‌反射计算‌基于微表面理论，分项计算D/F/G‌直接使用(v·r)^n计算高光‌‌能量守恒‌严格满足（如菲涅尔项限制反射率）‌可能超出（如高光指数n过大）‌‌参数意义‌物理参数（粗糙度、金属度）‌经验参数（光泽度、高光强度）‌三、应用场景

‌BRDF的适用性‌

• 用于PBR材质（如Unity URP的Standard Shader），模拟真实材质（金属、布料）的光照行为‌。
  
• 示例：通过调整粗糙度参数，实现从镜面到漫反射的平滑过渡‌。
  

‌标准光照模型的适用性‌

• 适用于低性能设备或风格化渲染（如卡通效果），计算效率高但物理准确性低‌。
  
• 示例：Phong模型在早期游戏（如《魔兽争霸3》）中广泛使用‌。
  

四、演进关系

• ‌从Phong到BRDF‌：Phong模型是BRDF的简化前身，后者通过引入物理理论（如微表面、能量守恒）解决了前者的非物理问题‌。
  
• ‌现代替代‌：Unity等引擎已逐步用BRDF替代Phong模型，但Phong仍用于教学或快速原型开发‌
  

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