【光照】UnityURP中的[HDR贴图]

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

HDR贴图的概念与特性

HDR(高动态范围)贴图是Unity URP中用于存储超出标准0-1范围光照信息的特殊纹理格式。与普通LDR(低动态范围)贴图相比，HDR贴图能够存储更广范围的亮度值，通常使用16位或32位浮点精度而非8位整数精度。
HDR贴图主要分为两类：

• ‌HDR环境贴图‌：用于天空盒和环境光照，通常采用.hdr或.exr格式
  
• ‌HDR光照贴图‌：用于烘焙光照信息，存储间接光照数据
  

HDR贴图解决的问题

‌亮度范围限制‌：

• 传统LDR贴图只能表示0-1范围的亮度值，无法准确表现真实世界的光照强度(如阳光直射可能达到100,000尼特)。
  

‌细节丢失‌：

• LDR在高亮区域会产生过曝，丢失细节；在暗部则会产生噪点和色带。
  

‌光照计算精度‌：

• HDR贴图提供更高精度的光照数据，使后期处理(如Bloom、色调映射)效果更自然。
  

URP中HDR贴图的具体使用

导入HDR环境贴图

1. csharp
2. // 通过代码加载HDR贴图
3. public class HDRLoader : MonoBehaviour {
4.     public Texture2D hdrTexture;
6.     void Start() {
7. // 设置HDR贴图为天空盒
8.         RenderSettings.skybox.SetTexture("_MainTex", hdrTexture);
9.     }
10. }

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配置HDR天空盒

• 下载HDR贴图(推荐HDRI Hub等资源网站)
  
• 导入Unity项目，确保纹理导入设置中"Texture Shape"设为Cube
  
• 创建材质，选择Shader > Skybox > Cubemap
  
• 将HDR贴图拖入材质
  
• 在Lighting窗口中将材质指定为天空盒
  

烘焙HDR光照贴图

• 确保场景物体：
  
  
  
  • 具有Mesh Renderer组件
    
  • 标记为Contribute GI
    
  • 启用了Generate Lightmap UVs
    
  
  
• 在Lighting窗口调整Lightmap Resolution和Scale In Lightmap参数
  
• 关闭自动烘焙，手动执行烘焙以获得最佳效果
  

HDR贴图的高级应用

‌Light Cookies‌：

• 使用HDR贴图作为2D遮罩或立方体贴图，控制光源形状和衰减
  
• HDR贴图作为Light Cookies可以精确控制光源的形状和衰减特性，相比普通LDR贴图能够表现更广范围的亮度值，特别适合模拟高亮度光源效果如聚光灯、霓虹灯等。URP中支持两种形式的Cookies：
  
  
  
  • ‌2D平面贴图‌：主要用于聚光灯(Spot Light)
    
  • ‌立方体贴图‌：主要用于点光源(Point Light)
    
  
  

2D HDR Cookie实现过程

• 准备HDR贴图
  1. csharp
  2. // 创建HDR纹理
  3. Texture2D hdrCookie = new Texture2D(512, 512, TextureFormat.RGBAHalf, true);
  4. hdrCookie.wrapMode = TextureWrapMode.Clamp;
  5. hdrCookie.filterMode = FilterMode.Bilinear;

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• 应用到聚光灯
  1. csharp
  2. public class SpotLightCookieSetter : MonoBehaviour {
  3.     public Texture2D hdrCookieTexture;
  4.     public Light spotLight;
  6.     void Start() {
  7.         if(spotLight.type == LightType.Spot) {
  8.             spotLight.cookie = hdrCookieTexture;
  9.             spotLight.cookieSize = 10f;// 控制Cookie影响范围
  10.         }
  11.     }
  12. }

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• 材质设置
  在URP中需要确保材质使用支持HDR的Shader，如Universal Render Pipeline/Lit。
  

立方体HDR Cookie实现过程

• 创建HDR立方体贴图
  

1. csharp
2. // 通过代码生成HDR立方体贴图
3. public Cubemap CreateHDRCubemap(int size) {
4.     Cubemap hdrCubemap = new Cubemap(size, TextureFormat.RGBAHalf, true);
5. // 填充各面数据...return hdrCubemap;
6. }

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• 应用到点光源
  

1. csharp
2. public class PointLightCookieSetter : MonoBehaviour {
3.     public Cubemap hdrCubemap;
4.     public Light pointLight;
6.     void Start() {
7.         if(pointLight.type == LightType.Point) {
8.             pointLight.cookie = hdrCubemap;
9.         }
10.     }
11. }

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• 完整示例：HDR Cookie光照场景
  
  
  
  • HDRCookieDemo.cs
    1. using UnityEngine;
    2. using UnityEngine.Rendering.Universal;
    4. public class HDRCookieDemo : MonoBehaviour {
    5.     public Texture2D spotCookie;
    6.     public Cubemap pointCookie;
    7.     public Light spotLight;
    8.     public Light pointLight;
    10.     void Start() {
    11.         // 设置聚光灯Cookie
    12.         spotLight.type = LightType.Spot;
    13.         spotLight.cookie = spotCookie;
    14.         spotLight.cookieSize = 8f;
    16.         // 设置点光源Cookie
    17.         pointLight.type = LightType.Point;
    18.         pointLight.cookie = pointCookie;
    20.         // 确保使用HDR
    21.         spotLight.useColorTemperature = true;
    22.         pointLight.useColorTemperature = true;
    23.     }
    24. }

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关键参数调整

• ‌亮度控制‌：HDR Cookie的亮度值可以超过1.0，实现超亮光源效果
  
• ‌衰减调节‌：通过Cookie的边缘渐变控制光源衰减
  
• ‌色彩范围‌：HDR支持更广的色域表现
  

性能优化建议

• 合理控制HDR Cookie分辨率(通常512x512足够)
  
• 对远处光源使用较低分辨率Cookie
  
• 考虑使用压缩的HDR格式(如BC6H)减少内存占用
  
• 动态加载和卸载HDR Cookie资源
  

‌反射探针‌：

• 生成HDR立方体贴图用于高质量反射
  
• HDR反射探针通过捕获场景环境生成高动态范围立方体贴图，为物体提供更真实的反射效果。相比传统LDR反射贴图，HDR立方体贴图能够存储更广范围的亮度值(0-65504)，保留亮部和暗部细节，特别适合表现金属、玻璃等高反射材质。
  
• 创建并配置反射探针
  1. csharp
  2. // 创建反射探针并设置HDR属性
  3. GameObject probeObj = new GameObject("HDR_ReflectionProbe");
  4. ReflectionProbe probe = probeObj.AddComponent<ReflectionProbe>();
  5. probe.mode = ReflectionProbeMode.Realtime;
  6. probe.hdr = true;// 启用HDR
  7. probe.resolution = 512;// 分辨率
  8. probe.shadowDistance = 50f;// 阴影距离
  9. probe.cullingMask = LayerMask.GetMask("Default");// 渲染层
  10. probe.boxProjection = true;// 启用盒投影

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• 烘焙HDR立方体贴图
  1. csharp
  2. // 手动触发烘焙
  3. IEnumerator BakeHDRProbe(ReflectionProbe probe) {
  4.     probe.RenderProbe();
  5.     while(probe.IsFinishedRendering(probe.GetInstanceID()) == false) {
  6.         yield return null;
  7.     }
  8.     Debug.Log("HDR Cubemap烘焙完成");
  9. }

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• 在Shader中采样HDR反射贴图
  1. glsl
  2. // URP Shader中采样HDR反射探针
  3. half3 SampleHDRReflection(float3 worldPos, float3 worldNormal) {
  4.     float3 reflectDir = reflect(-_WorldSpaceCameraPos.xyz, worldNormal);
  5.     half4 encodedCubemap = SAMPLE_TEXTURECUBE(unity_SpecCube0, samplerunity_SpecCube0, reflectDir);
  6.     half3 decodedColor = DecodeHDREnvironment(encodedCubemap, unity_SpecCube0_HDR);
  7.     return decodedColor;
  8. }

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完整示例

• HDRReflectionDemo.cs
  1. using UnityEngine;
  2. using UnityEngine.Rendering.Universal;
  4. public class HDRReflectionDemo : MonoBehaviour {
  5.     public Material reflectiveMaterial;
  6.     public Light directionalLight;
  8.     void Start() {
  9.         // 1. 创建HDR反射探针
  10.         var probeObj = new GameObject("HDR_Probe");
  11.         var probe = probeObj.AddComponent<ReflectionProbe>();
  12.         probe.size = new Vector3(20, 20, 20);
  13.         probe.hdr = true;
  14.         probe.resolution = 1024;
  16.         // 2. 设置反射材质参数
  17.         reflectiveMaterial.SetFloat("_Metallic", 1.0f);
  18.         reflectiveMaterial.SetFloat("_Smoothness", 0.95f);
  20.         // 3. 动态更新反射探针
  21.         StartCoroutine(UpdateProbe(probe));
  22.     }
  24.     IEnumerator UpdateProbe(ReflectionProbe probe) {
  25.         while(true) {
  26.             probe.RenderProbe();
  27.             while(!probe.IsFinishedRendering(probe.GetInstanceID())) {
  28.                 yield return null;
  29.             }
  30.             yield return new WaitForSeconds(1f); // 每秒更新一次
  31.         }
  32.     }
  33. }

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关键参数优化建议

• ‌分辨率选择‌：根据目标平台性能选择256-2048分辨率，移动端建议512
  
• ‌更新频率‌：实时探针可选择"Via Scripting"模式按需更新
  
• ‌盒投影‌：室内场景务必启用Box Projection实现距离相关反射
  
• ‌混合距离‌：多个探针间设置Blend Distance实现平滑过渡
  
• ‌HDR解码‌：确保Shader中正确使用DecodeHDREnvironment函数处理HDR数据
  

性能优化

• 对静态物体使用Baked模式探针，动态物体使用Realtime模式
  
• 通过Importance属性控制多个探针的混合权重
  
• 使用Time Slicing分散探针更新负载
  
• 合理设置Culling Mask避免渲染不必要对象
  
• 移动平台可降低HDR精度至R11G11B10格式
  

‌全局光照‌：

• HDR贴图提供更精确的间接光照计算基础
  
• 准备HDR环境贴图
  首先需要获取HDR环境贴图（.hdr或.exr格式），推荐从HDRI Hub等资源网站下载高质量的HDR天空盒贴图。导入Unity后需将纹理类型设置为"Cube"并启用HDR选项：
  1. csharp
  2. // 通过代码验证HDR贴图设置
  3. void CheckHDREnvironment(Texture2D hdrTexture) {
  4.     if(hdrTexture.format != TextureFormat.RGBAHalf) {
  5.         Debug.LogError("请使用HDR格式贴图(RGBAHalf)");
  6.     }
  7. }

  复制代码
• 配置HDR全局光照
  
  
  
  • 在URP渲染管线中设置HDR环境光：
    
  1. csharp
  2. public class HDRGlobalIllumination : MonoBehaviour {
  3.     public Cubemap hdrCubemap;
  4.     public Material skyboxMaterial;
  6.     void Start() {
  7. // 设置HDR天空盒
  8.         RenderSettings.skybox = skyboxMaterial;
  9.         skyboxMaterial.SetTexture("_Tex", hdrCubemap);
  11. // 启用HDR全局光照
  12.         RenderSettings.ambientMode = AmbientMode.Skybox;
  13.         DynamicGI.UpdateEnvironment();
  14.     }
  15. }

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• 烘焙HDR光照贴图
  
  
  
  • 确保场景静态物体：
    
    
    
    • 具有Mesh Renderer组件
      
    • 标记为Contribute GI
      
    • 启用了Generate Lightmap UVs
      
    
    
  • 在Lighting窗口设置：
    1. csharp
    2. Lightmapping.lightingSettings.lightmapResolution = 40;// 每单位分辨率
    3. Lightmapping.lightingSettings.lightmapper = Lightmapper.ProgressiveGPU;
    4. Lightmapping.lightingSettings.filteringMode = LightmapFiltering.Advanced;

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  • 执行烘焙：
    1. csharp
    2. Lightmapping.BakeAsync();// 异步烘焙避免卡顿

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材质Shader适配

• 在URP Lit Shader中增强HDR间接光采样：
  1. glsl
  2. // 在URP Shader中增加HDR间接光处理
  3. half3 SampleHDRIndirectLight(float3 worldPos, float3 normal) {
  4.     half3 indirectDiffuse = SampleSH9(normal); // 球谐光照
  5.     half4 encodedCubemap = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(unity_SpecCube0, samplerunity_SpecCube0, reflect(-worldPos, normal), 0);
  6.     half3 decodedColor = DecodeHDREnvironment(encodedCubemap, unity_SpecCube0_HDR);
  7.     return indirectDiffuse * 0.5 + decodedColor * 0.5; // 混合光照
  8. }

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实时更新策略

• 对于动态物体，结合光照探针和反射探针：
  1. csharp
  2. public class DynamicHDRGI : MonoBehaviour {
  3.     public ReflectionProbe hdrProbe;
  4.     public LightProbeGroup lightProbes;
  6.     void Update() {
  7. // 每2秒更新一次探针
  8. if(Time.frameCount % 120 == 0) {
  9.             hdrProbe.RenderProbe();
  10.             LightProbes.Tetrahedralize();
  11.         }
  12.     }
  13. }

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性能优化

• 静态物体使用烘焙光照贴图，动态物体使用HDR光照探针
  
• 根据距离分级使用不同分辨率的HDR贴图（近处1024，远处256）
  
• 使用BC6H压缩格式减少HDR贴图内存占用
  
• 通过脚本控制探针更新频率避免性能峰值
  

性能优化建议

• 合理控制HDR贴图分辨率，平衡质量与性能
  
• 移动平台考虑使用压缩的HDR格式(如ASTC HDR)
  
• 对远处或小物体使用较低分辨率的HDR光照贴图
  
• 动态加载和卸载HDR贴图以管理内存
  

HDR贴图是URP实现高质量渲染的重要工具，正确使用可以显著提升场景的真实感和视觉冲击力
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