【光照】[PBR][环境光]实现方法解析

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

环境光实现流程

环境光在基于物理的渲染(PBR)中主要通过以下流程实现：

• ‌环境贴图采样‌：获取周围环境的辐照度
  
• ‌漫反射计算‌：处理非金属材质的漫反射部分
  
• ‌镜面反射计算‌：处理金属和高光的反射部分
  
• ‌环境光遮蔽‌：考虑几何遮蔽和环境遮挡
  
• ‌最终混合‌：将环境光与其他光照成分结合
  

主要环境光实现模型

1. 球谐光照(Spherical Harmonics)

‌原理‌：

• 将环境光信息编码为球谐系数
  
• 使用低阶多项式近似环境光照
  

‌公式‌：
$L(θ,ϕ)≈\sum_{l=0}n\sum_{m=−l}lc_lmY_lm(θ,ϕ)$
‌特点‌：

• 内存占用小
  
• 计算效率高
  
• 适合动态场景
  

2. 预计算辐照度贴图(Precomputed Radiance Transfer)

‌原理‌：

• 预计算环境光对场景的影响
  
• 存储为立方体贴图或2D贴图
  

‌实现方式‌：

• 漫反射：预卷积的辐照度图
  
• 镜面反射：预过滤的反射探针
  

3. 屏幕空间反射(Screen Space Reflection)

‌原理‌：

• 直接在屏幕空间追踪光线
  
• 实时计算环境反射
  

‌特点‌：

• 无需预计算
  
• 消耗较大GPU资源
  
• 只能反射屏幕内可见内容
  

Unity URP的环境光实现方案

核心方案：反射探针 + 球谐光照

‌实现代码‌：

1. hlsl
2. // 环境光漫反射计算
3. half3 ambientDiffuse = SampleSH(normalWS) * surfaceData.albedo;
5. // 环境光镜面反射计算
6. half3 reflectVector = reflect(-viewDirectionWS, normalWS);
7. half3 ambientSpecular = GlossyEnvironmentReflection(
8.     reflectVector,
9.     positionWS,
10.     surfaceData.roughness,
11.     1.0
12. );
14. // 最终环境光
15. half3 ambient = ambientDiffuse * (1 - surfaceData.metallic) +
16.                ambientSpecular * surfaceData.metallic;

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‌选择原因‌：

• ‌性能与质量平衡‌：
  
  
  
  • 球谐光照提供高效的漫反射环境光
    
  • 反射探针处理高质量的镜面反射
    
  
  
• ‌动态场景支持‌：
  
  
  
  • 反射探针可实时更新
    
  • 球谐系数可动态计算
    
  
  
• ‌移动端优化‌：
  1. hlsl
  2. // 移动端简化版
  3. half3 ambient = SampleSH(normalWS) * surfaceData.albedo;
  4. half3 specular = surfaceData.metallic * SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(
  5.     _GlossyEnvironmentCube,
  6.     sampler_GlossyEnvironmentCube,
  7.     reflectVector,
  8.     surfaceData.roughness * UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS
  9. );

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• ‌艺术家友好‌：
  
  
  
  • 直观的反射探针放置
    
  • 自动生成的球谐光照
    
  
  

关键实现细节

• ‌反射探针系统‌：
  
  
  
  • 立方体贴图预过滤
    
  • 多级mipmap存储不同粗糙度的反射
    
  • 混合探针权重计算
    
  
  
• ‌球谐光照计算‌：
  
  
  
  • 使用3阶球谐(9个系数)
    
  • 场景光照烘焙为球谐系数
    
  • 实时动态物体也能接收球谐光照
    
  
  
• ‌环境光遮蔽集成‌：
  1. hlsl
  2. ambient *= lerp(1.0, occlusion, _AmbientOcclusionParam.w);

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• ‌性能分级处理‌：
  1. hlsl
  2. #if defined(_ENVIRONMENTREFLECTIONS_OFF)
  3.     half3 ambientSpecular = 0;
  4. #else
  5.     // 完整反射计算
  6. #endif

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各模型性能对比

模型内存占用GPU消耗动态支持视觉质量球谐光照极低极低★★★★★★★☆☆☆反射探针中-高中★★★☆☆★★★★☆SSR低高★★★★☆★★★★☆URP混合方案中中★★★★☆★★★★☆Unity URP的选择优势

‌分级渲染支持‌：

• 高端设备：完整反射探针+球谐
  
• 移动设备：简化版球谐光照
  

‌场景适应性‌：

• 室内场景：高密度反射探针
  
• 开放世界：球谐为主+关键区域探针
  

‌动态GI支持‌：

• 可与光照探针系统配合
  
• 支持实时环境光更新
  

‌扩展性强‌：

• 容易集成SSR等后期效果
  
• 支持自定义环境光遮蔽
  

Unity URP的环境光实现方案在保持实时性能的同时，通过精心设计的混合策略提供了足够高质量的全局光照效果，特别适合需要跨平台部署的项目。随着硬件发展，URP也在逐步引入更多实时全局光照技术，如Enlighten和GPU Lightmapper的集成，但核心的环境光处理架构仍保持这一基本设计理念。
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