【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_l^mY_l^m(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‌：

hlsl
// 环境光漫反射计算
half3 ambientDiffuse = SampleSH(normalWS) * surfaceData.albedo;

// 环境光镜面反射计算
half3 reflectVector = reflect(-viewDirectionWS, normalWS);
half3 ambientSpecular = GlossyEnvironmentReflection(
    reflectVector,
    positionWS,
    surfaceData.roughness,
    1.0
);

// 最终环境光
half3 ambient = ambientDiffuse * (1 - surfaceData.metallic) +
               ambientSpecular * surfaceData.metallic;

‌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‌：

  hlsl
  // 移动端简化版
  half3 ambient = SampleSH(normalWS) * surfaceData.albedo;
  half3 specular = surfaceData.metallic * SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(
      _GlossyEnvironmentCube,
      sampler_GlossyEnvironmentCube,
      reflectVector,
      surfaceData.roughness * UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS
  );

• ‌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‌：

  hlsl
  ambient *= lerp(1.0, occlusion, _AmbientOcclusionParam.w);

• ‌性能分级处理‌：

  hlsl
  #if defined(_ENVIRONMENTREFLECTIONS_OFF)
      half3 ambientSpecular = 0;
  #else
      // 完整反射计算
  #endif

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。

---

【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，🙏）