【光照】Unity中的[物理模型]PBR

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

PBR（Physically Based Rendendering）的核心内容与BRDF应用‌

PBR是一种基于物理光学原理的渲染框架，其核心是通过‌物理可测量的材质属性 ‌和‌真实的光照计算规则‌实现跨环境一致的真实感渲染。

---

‌PBR四大核心支柱‌

模块	作用	关键参数
‌材质参数系统‌	定义物体固有光学属性	金属度（Metallic）粗糙度（Roughness）基础反射率（Albedo）
‌微表面理论‌	描述微观几何对光的影响	法线分布（NDF）几何遮蔽（G）菲涅尔（F）
‌能量守恒约束‌	确保物理正确性	漫反射+镜面反射≤入射光能
‌线性工作流‌	模拟真实光强度	HDR环境光照伽马校正

BRDF和PBR的关系

BRDF（双向反射分布函数）与PBR（基于物理的渲染）是计算机图形学中紧密关联的两个概念.

理论层级关系

• ‌BRDF是PBR的数学基础‌

  BRDF通过微表面理论（Microfacet Theory）描述光线与物体表面的交互，定义了入射光方向（ωi）与出射光方向（ωo）的反射比例关系‌。

  PBR则基于BRDF构建完整的渲染流程，通过物理参数（如粗糙度、金属度）实现真实材质模拟‌。

• ‌PBR的三大核心条件‌

  • 微表面理论（BRDF的物理基础）
  • 能量守恒（BRDF需满足反射率≤1）
  • 基于物理的BRDF（如Cook-Torrance模型）‌

---

技术实现差异

特性	BRDF	PBR
‌作用范围‌	局部反射计算（单点光照）	全局渲染流程（含IBL、阴影等）
‌参数化‌	数学函数（如GGX、Schlick）	材质系统（URP/Standard Shader）
‌物理准确性‌	高（需满足能量守恒）	更高（整合多物理效应）

---

Unity中的实际应用

• ‌BRDF实现 ‌
  • URP的BRDF.hlsl文件包含GGX法线分布、菲涅尔项等核心计算‌。
  • 示例：BRDF_Unity_PBS函数组合漫反射与镜面反射‌。
• ‌PBR流程 ‌
  • 通过Lighting.hlsl整合BRDF与IBL（环境光遮蔽）‌。
  • 材质参数（如_Metallic）直接控制BRDF行为‌。

---

演进与扩展

• ‌从BRDF到PBR‌：BRDF解决了Phong模型非物理问题，PBR进一步扩展至全局光照（如IBL）和材质系统‌。
• ‌现代应用‌：URP/Standard Shader均采用PBR流程，但底层仍依赖BRDF的数学实现‌

---

BRDF（PBR）实现

核心脚本‌

• BRDF.hlsl（路径：Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/）
• 关键类：BRDFData（存储粗糙度、金属度等参数）和Lighting.hlsl（处理光照计算）

‌实现方法‌

• ‌GGX法线分布函数‌：

  hlsl
  float D_GGX(float NdotH, float roughness) {
      float a = roughness * roughness;
      return a / (PI * pow((NdotH * NdotH * (a - 1.0) + 1.0), 2.0));
  }

• ‌菲涅尔项 Schlick近似 ‌：其中F0为基础反射率（金属材质为0.9，非金属为0.04）

  hlsl
  float3 F_Schlick(float3 F0, float VdotH) {
      return F0 + (1.0 - F0) * pow(1.0 - VdotH, 5.0);
  }

‌调用流程‌

• 在Shader中通过#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"引入
• 最终调用BRDF_Unity_PBS函数组合漫反射和镜面反射

---

自定义扩展

• ‌新增光照模型 ‌
  • 修改StencilUsage.cs定义新的Stencil值（如MaterialCustom）
  • 在GBufferPass.cs中添加对应Shader Tag和Stencil写入逻辑
• ‌参数调整 ‌
  • 标准光照模型：通过Material面板调整_Specular和_Glossiness
  • BRDF模型：调整_Metallic和_Smoothness参数

---

对比总结

特性	标准光照模型	BRDF模型
‌实现文件‌	SimpleLit.shader	BRDF.hlsl + Lighting.hlsl
‌核心函数‌	UniversalFragmentBlinnPhong	BRDF_Unity_PBS
‌物理准确性‌	低（经验模型）	高（微表面理论）

如需深度定制，建议参考URP官方Shader库中的Lighting.hlsl和BRDF.hlsl实现

‌BRDF在PBR中的具体应用‌

PBR通过分解BRDF实现光照计算，以下是各部分的实现原理：

‌镜面反射计算（Cook-Torrance BRDF）

PBR直接调用BRDF的微表面模型：

f_{spec}=\\frac{F⋅D⋅G}{4(n⋅ω_i)(n⋅ω_o)}

• ‌🔴 菲涅尔项 F‌

  基于Schlick近似：

  F = F_0 + (1 - F_0)(1 - \\cos\\theta)\^5

  ‌PBR应用‌：

  • F_0由金属度控制（金属=Albedo，非金属=0.04）
  • 掠射角反射增强自动实现（如水面倒影随视角变化）

• ‌🔵 法线分布 D‌

  ‌GGX模型‌（主流选择）：

  D = \\frac{\\alpha_g^2}{\\pi\[(n·h)^2(\\alpha_g^2-1)+1\]^2}

  ‌PBR应用‌：

  • 粗糙度参数α = roughness²控制高光扩散
  • 粗糙度高→微表面法线分散→宽泛柔和高光

• ‌🟢 几何遮蔽 G‌

  Smith联合遮蔽函数：

  G = \\frac{n·\\omega_i}{n·\\omega_i + k} · \\frac{n·\\omega_o}{n·\\omega_o + k}

  ‌PBR应用‌：

  • k = (roughness + 1)\^2 / 8 控制自阴影
  • 防止粗糙表面边缘过亮（如磨损金属棱角）

‌漫反射计算‌

采用‌能量守恒型Lambert模型‌：

f_{diff}=\\frac{albedo}{π}⋅(1−F)⋅(1−metallic)

‌PBR优化‌：

• 金属度metallic=1时漫反射归零（纯金属无漫反射）
• (1-F)确保未被镜面反射的光才参与漫反射

‌环境光照（IBL）

PBR将BRDF扩展到环境光：

技术	作用	BRDF整合方式
‌辐照度图‌	漫反射环境光	对BRDF的cos项半球积分
‌预滤波环境图‌	镜面反射环境光	按粗糙度预过滤GGX分布
‌BRDF LUT‌	菲涅尔补偿	存储∫fspecdωi∫fspecdωi预积分结果

---

‌PBR渲染流程中的BRDF调用‌

典型PBR着色器代码结构（Unity URP示例）：

hlsl
// 输入参数
float3 albedo = baseColor.rgb;
float metallic = params.x;
float roughness = params.y;

// 1. 计算直接光照BRDF
float3 F0 = lerp(0.04, albedo, metallic); // 基础反射率
float3 directLight = 0;
foreach (Light light in sceneLights) {
    float3 H = normalize(V + L);
    float NdotV = dot(N, V);
    float NdotL = dot(N, L);

    // BRDF计算
    float3 F = FresnelSchlick(max(dot(H, V), 0.0), F0);
    float D = NDF_GGX(roughness, N, H);
    float G = GeometrySmith(roughness, NdotV, NdotL);

    float3 kS = F; // 镜面反射比例
    float3 kD = (1 - F) * (1 - metallic); // 漫反射比例

    // Cook-Torrance BRDF
    float3 specularBRDF = (F * D * G) / max(4.0 * NdotV * NdotL, 0.001);
    float3 diffuseBRDF = kD * albedo / PI;

    directLight += (diffuseBRDF + specularBRDF) * lightColor;
}

// 2. 应用IBL环境BRDF
float3 envDiffuse = texture(irradianceMap, N).rgb * albedo;
float3 R = reflect(-V, N);
float3 envSpecular = textureLod(prefilterMap, R, roughness * MAX_LOD).rgb;
float2 envBRDF = texture(BRDF_LUT, float2(NdotV, roughness)).rg;
float3 iblSpecular = envSpecular * (F0 * envBRDF.x + envBRDF.y);

// 3. 组合结果（能量守恒）
float3 result = (directLight + envDiffuse + iblSpecular) * aoMap;

---

‌PBR与传统渲染的本质区别‌

特性	传统光照模型	PBR+BRDF
‌参数意义‌	人工经验值	物理可测量属性
‌高光控制‌	独立高光强度参数	粗糙度+金属度推导
‌环境响应‌	环境贴图简单叠加	IBL精确匹配BRDF
‌一致性‌	不同光照需重调参数	一次校准全场景适用

---

‌案例说明：金属铜材质‌

• ‌材质参数‌：

  albedo = (0.95, 0.64, 0.54)（铜色）

  metallic = 0.98

  roughness = 0.3

• ‌BRDF作用‌：

  • 菲涅尔项F：掠射角反射增强至金色
  • GGX分布D：中等粗糙度产生柔化高光边缘
  • 几何遮蔽G：表面微小凹痕产生阴影细节
  • IBL：环境中的暖色光自然融入反射

🔍 ‌效果对比‌：传统Phong模型会显示均匀橙色+圆形高光，而PBR+BRDF呈现真实的金属渐变反射和表面微结构细节。

PBR通过系统化应用BRDF的物理光学模型，实现了材质表达的客观性和光照响应的真实性，成为现代3A游戏与影视渲染的工业标准。

---

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

（欢迎点赞留言探讨，更多人加入进来能更加完善这个探索的过程，🙏）