【光照】[PBR][漫反射]实现方法对比

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

URP BRDF漫反射方法对比

方法名称数学公式特点性能消耗适用场景Lambert$L_d = k_d * max(0, N·L)$经典模型，能量不守恒★☆☆移动端低配Half-Lambert$L_d = k_d * (0.5*(N·L)+0.5)^2$增强暗部细节★★☆卡通渲染Disney Diffuse复杂能量守恒公式物理准确，计算复杂★★★PC/主机高品质Burley Diffuse基于微表面理论PBR标准，次表面散射近似★★★金属/粗糙度工作流具体实现方法及示例

Lambert模型（URP默认）

1. hlsl
2. // Lighting.hlsl 中的实现
3. half3 DiffuseLambert(half3 diffuseColor)
4. {
5.     return diffuseColor / PI; // 能量归一化
6. }
8. // 实际调用示例
9. half NdotL = saturate(dot(normalWS, light.direction));
10. half3 lambert = DiffuseLambert(_BaseColor.rgb) * NdotL;

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Half-Lambert（Valve改进版）

1. hlsl
2. half3 DiffuseHalfLambert(half3 diffuseColor, half NdotL)
3. {
4.     half wrap = 0.5 * (NdotL + 1.0);
5.     return diffuseColor * wrap * wrap;
6. }
8. // 调用示例
9. half3 halfLambert = DiffuseHalfLambert(_BaseColor.rgb, NdotL);

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Disney Diffuse（URP Lit.shader使用）

1. hlsl
2. // BRDF.hlsl 中的实现
3. half3 DiffuseDisney(half3 baseColor, half NdotV, half NdotL, half LdotH, half roughness)
4. {
5.     half fd90 = 0.5 + 2 * LdotH * LdotH * roughness;
6.     half lightScatter = (1 + (fd90 - 1) * pow(1 - NdotL, 5));
7.     half viewScatter = (1 + (fd90 - 1) * pow(1 - NdotV, 5));
8.     return baseColor * lightScatter * viewScatter / PI;
9. }

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URP实际使用情况

• ‌默认采用方案‌：
  
  
  
  • Simple Lit管线：Lambert模型（简化版）
    
  • Lit管线：Disney Diffuse + Burley改进（见BRDF.hlsl）
    
  
  
• ‌核心代码路径‌：
  1. Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/BRDF.hlsl
  2. → DirectBDRF()函数
  3. → DisneyDiffuse()分支

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• ‌性能优化策略‌：
  1. csharp
  2. // URP Asset中可关闭高质量漫反射
  3. UniversalRenderPipelineAsset.asset →
  4. Lighting → UseRoughnessRefraction = false

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方法对比

• ‌视觉差异‌：
  
  
  
  • Lambert：明暗对比强烈
    
  • Half-Lambert：暗部提亮约30%
    
  • Disney：边缘光更自然（菲涅尔效应）
    
  
  
• ‌推荐选择‌：
  
  
  
  • 移动端：Lambert（Simple Lit）
    
  • 主机/PC：Disney（Lit Shader）
    
  • 风格化：Half-Lambert（需自定义Shader）
    
  
  

URP 2022 LTS版本中，主流的Lit.shader默认使用改进版Disney模型，通过#define _BRDF_BURLEY宏启用。开发者可通过修改BRDF.hlsl中的#define语句切换不同模型。
除了以上Unity URP中涉及到的基于物理光照模型的漫反射实现方式，还有Oren-Nayar模型来实现漫反射
Oren-Nayar模型原理

• ‌核心思想‌：
  由Michael Oren和Shree Nayar于1994年提出，基于‌微表面自阴影理论‌，适用于粗糙表面（如布料、砂石）。其公式为：
  $L = k_d * max(0, N·L) * (A + B * max(0, cos(φ_v-φ_l)) * sin(α) * tan(β))$
  $A = 1 - 0.5*(σ²)/(σ²+0.33)$
  $B = 0.45*(σ²)/(σ²+0.09)$
  $α = max(θ_v, θ_l)$
  $β = min(θ_v, θ_l)$
  
  
  
  • σ：表面粗糙度参数（0°-90°）
    
  • φ：方位角
    
  
  
• ‌视觉特性‌：
  
  
  
  • 粗糙表面边缘亮度增强
    
  • 逆向光时出现"后向散射"效果
    
  • 相比Lambert更符合真实布料观测
    
  
  

Unity URP中的使用情况

• ‌默认未采用原因‌：
  
  
  
  • ‌性能考量‌：需要额外计算角度和粗糙度（比Lambert多30%指令数）
    
  • ‌艺术控制‌：参数物理意义不如PBR直观
    
  • ‌光照一致性‌：URP优先保证移动端性能
    
  
  
• ‌替代方案‌：
  
  
  
  • 简单场景：使用SimpleLit的Lambert
    
  • 复杂材质：通过LitShader的Smoothness参数间接控制
    
  
  

手动实现方案

若需在URP中使用Oren-Nayar，可修改BRDF.hlsl：

1. hlsl
2. // 在BRDF.hlsl中添加
3. half3 DiffuseOrenNayar(half3 albedo, half roughness, half NdotV, half NdotL, half LdotV)
4. {
5.     half sigma2 = roughness * roughness;
6.     half A = 1.0 - 0.5 * sigma2 / (sigma2 + 0.33);
7.     half B = 0.45 * sigma2 / (sigma2 + 0.09);
9.     half s = LdotV - NdotL * NdotV;
10.     half t = s > 0 ? 1.0 / max(NdotL, NdotV) : 1.0;
12.     return albedo * (A + B * s * t) * NdotL;
13. }

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适用场景建议

• ‌推荐使用情况‌：
  
  
  
  • 风格化渲染（如手绘布料）
    
  • 考古/地质仿真项目
    
  • 需要特殊边缘光效果的场景
    
  
  
• ‌性能对比‌：
  模型指令数(移动端)内存访问Lambert123Oren-Nayar385Disney456
  

当前URP 2022 LTS版本中，可通过自定义Shader Graph节点实现Oren-Nayar，但官方未内置因其不符合URP的"性能优先"设计原则。实际项目中建议通过法线贴图+Lambert近似替代。

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