【光照】Unity[PBR]环境光中的[漫反射]

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

漫反射辐照的核心作用

漫反射辐照（Diffuse Irradiance）在URP PBR中用于模拟环境光对物体表面的均匀散射效果，通过预计算环境立方体贴图的低频光照信息，为动态物体提供间接漫反射光照。其核心公式为：
$L_d=\frac{c}{\pi}\int_\Omega L_i(\omega_i)(n\cdot\omega_i)d\omega_i$
其中c为反照率，$L_i$为环境光强度。
其核心是将环境立方体贴图卷积为球谐系数（SH）或光照探针数据。计算过程遵循Lambertian反射模型.
技术演进关键节点

• ‌Unity 5.x时代‌
  首次引入标准PBR管线，但依赖内置渲染管线，环境光计算需全分辨率立方体贴图，内存消耗大。
  
• ‌URP 7.x 2020‌
  采用三层球谐基函数压缩环境光数据，内存占用降低90%以上，同时支持动态光照探针混合，实现移动端高效运行。
  
• ‌URP 2022‌
  引入HDR环境贴图支持，提升高动态范围场景下漫反射辐照的精度，通过RGBM编码解决LDR贴图亮度失真问题。
  

解决的问题与方案优势

‌传统问题‌

• 动态物体无法复用静态光照贴图，导致场景光照不连贯。
  
• 实时积分计算环境光性能开销过高，尤其在移动端。
  

‌URP方案选择原因‌

<ul>‌球谐函数压缩‌：用9个系数（三层SH）近似环境光分布，相比立方体贴图减少90%内存占用。
球谐系数（SH）卷积计算原理

• 环境立方体贴图到球谐系数的转换过程分为两步：
  
  
  
  • 首先对立方体贴图进行蒙特卡洛积分，计算各阶球谐基函数的投影系数；
    
  • 然后在运行时通过法线向量重建光照。
    
  
  
• 核心公式为：
  

$c_{l,m}=\int_\Omega L_i(\omega)Y_{l,m}(\omega)d\omega$
其中$Y_{l,m}$为球谐基函数，$L_i$为环境光强度。Unity采用三阶SH（9个系数），仅需存储RGB三个通道的9个浮点数，相比立方体贴图内存占用减少99.8%。
具体实现步骤

<ul>‌预计算阶段‌
对立方体贴图的每个纹素进行半球积分，计算0-2阶球谐系数：
[code]hlsl// 伪代码：立方体贴图投影到SHfor each texel in cubemap {    float3 dir = normalize(texelDirection);    float3 color = SampleCubemap(texel);    for (int l=0; l