【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达
兰伯特漫反射的能量守恒性
能量守恒基本原理
在物理正确的渲染中，能量守恒要求：
- 表面反射的光能总量 ≤ 入射光能
- 漫反射+高光反射 ≤ 1.0
- 没有能量凭空产生或消失
经典兰伯特模型的能量守恒问题
传统兰伯特漫反射公式：
$漫反射 = 表面反照率 × max(0, N·L)$
不守恒的原因：
- 缺乏归一化因子：
- 半球积分结果应为π，但兰伯特模型直接使用N·L
- 正确公式应为：$漫反射 = 表面反照率 / π × max(0, N·L)$
- 反射率超标：
- 当反照率(albedo)设为1.0时，反射率可能超过100%
- 例如：N·L=1时反射率为100%，但实际应有吸收损失
- 恒定反射率：
- 对所有入射角使用相同反射率
- 现实中菲涅尔效应导致掠射角反射率增加
URP中的修正方案
Unity URP采用改进的兰伯特模型：
hlsl
// URP实际实现（Lighting.hlsl）
half diffuseTerm = saturate(dot(normal, lightDir));
half3 diffuse = albedo * lightColor * diffuseTerm * INV_PI;
其中：
INV_PI ≈ 0.31831(1/π)- 通过除以π实现能量归一化
PBR工作流兼容性分析
兼容性类型
| 兼容维度 | 支持情况 | 说明 |
|---|---|---|
| 数据输入 | ✅ 完全兼容 | 使用相同的albedo贴图输入 |
| 光照计算 | ⚠️ 部分兼容 | 缺乏物理反射特性 |
| 材质工作流 | ✅ 完全兼容 | 支持标准材质参数 |
| 后期处理 | ✅ 完全兼容 | 兼容HDR/Bloom等效果 |
| 全局光照 | ⚠️ 有限兼容 | 需要特殊处理 |
完全兼容的方面
- 材质参数统一：
- 使用相同的albedo纹理和颜色参数
- 支持相同的法线贴图格式
- HDR管线整合：
- 支持线性颜色空间
- 兼容HDR渲染和自动曝光
- 后期处理协同：
- 与Bloom效果无缝配合
- 支持屏幕空间环境光遮蔽(SSAO)
有限兼容的方面
-
能量守恒缺口：
graph LR A[入射光能量] --> B[经验模型] B --> C[漫反射输出] C --> D{能量总和} D --> |100%| E[违反守恒] D --> |物理模型<90%| F[正确守恒] -
金属度工作流问题：
- 金属表面应无漫反射，但兰伯特模型无法正确处理
- 需要额外代码屏蔽金属表面的漫反射
-
菲涅尔效应缺失：
- 掠射角反射率无增强
- 影响边缘光照的真实性
-
全局光照不一致：
- 与基于物理的GI系统配合时可能出现能量不匹配
- 需要手动调整间接光照强度
URP中的兼容性实现
- URP采用混合方案实现兼容：
hlsl
// URP的BRDF处理（BRDF.hlsl）
half3 BRDF_lambert(half3 albedo)
{return albedo * INV_PI;
}#if defined(_PBR_ENABLED)// 物理正确的漫反射计算half3 diffuse = BRDF_lambert(albedo) * saturate(NdotL);
#else// 传统兰伯特计算half3 diffuse = albedo * saturate(NdotL);
#endif
结论与建议
能量守恒结论
- 原始兰伯特模型不守恒：缺乏归一化因子，反射率可能超标
- 修正版可基本守恒：通过添加1/π因子实现能量平衡
- URP实现部分守恒：在标准着色器中已包含修正因子
PBR兼容性结论
- ✅ 美术工作流兼容：可使用相同材质和纹理
- ️ 物理精度局限：无法完全匹配物理反射特性
- ️ 工程实用方案：适合风格化/性能优先项目
实际开发建议
-
移动端项目：
hlsl // 使用优化版兰伯特（包含能量修正） half3 diffuse = albedo * saturate(NdotL) * 0.31831; -
PC/主机项目：
hlsl // 使用完整PBR漫反射（Disney模型） half3 diffuse = albedo * (1 / PI) * (1 - metallic) * saturate(NdotL); -
风格化渲染：
hlsl // 艺术导向的增强版 half3 diffuse = albedo * pow(saturate(NdotL), _RampPower) * _Intensity;
在URP中，经验模型与PBR工作流可通过条件编译实现无缝切换，开发者可根据目标平台和艺术需求选择最适合的模型，在物理准确性和性能之间取得最佳平衡。
【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，🙏）
本文由博客一文多发平台 OpenWrite 发布！