当前位置：首页 > news >正文

【光照】[PBR][几何遮蔽]实现方法对比

news 2025/10/1 9:30:39

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

几何遮蔽的基本流程

几何遮蔽(G)在BRDF中用于模拟微表面间的自阴影和遮蔽效应，其计算流程通常分为三个步骤：

‌遮蔽项计算‌：光线入射方向的遮挡概率
‌阴影项计算‌：视线方向的遮挡概率
‌联合计算‌：将两者结合形成完整的几何函数

主要几何遮蔽模型

1. Cook-Torrance模型

‌原理‌：

基于V形微槽假设
使用简单的min函数计算遮蔽和阴影

‌公式‌：

$G_{Cook-Torrance}=min⁡(1,\frac{2(n⋅h)(n⋅v)}{v⋅h},\frac{2(n⋅h)(n⋅l)}{v⋅h})$

‌特点‌：

计算简单但不够精确
在掠射角表现不佳

2. Smith模型

‌原理‌：

将几何项分解为独立的遮蔽和阴影项
假设微表面高度服从统计分布

‌公式‌：

$G_{Smith}=G_1(v)⋅G_1(l)$

‌Unity URP选择‌：

hlsl
// URP中Smith联合Schlick-GGX实现
float V_SmithGGX(float NdotL, float NdotV, float roughness)
{float a = roughness;float a2 = a * a;float GGXV = NdotL * sqrt(NdotV * NdotV * (1.0 - a2) + a2);float GGXL = NdotV * sqrt(NdotL * NdotL * (1.0 - a2) + a2);return 0.5 / max((GGXV + GGXL), 0.000001);
}

‌选择原因‌：

与GGX法线分布完美匹配
能量守恒性更好
计算效率较高

3. Schlick近似模型

‌原理‌：

对Smith模型的快速近似
使用有理函数替代复杂计算

‌公式‌：

$G_{Schlick}(n,v)=\frac{n⋅v}{(n⋅v)(1−k)+k},k=\frac{(α+1)^2}8$

‌特点‌：

适合移动端等性能受限平台
精度略低于完整Smith模型

4. Kelemen-Szirmay-Kalos模型

‌原理‌：

基于微表面斜率分布
特别适合各向异性材质

‌公式‌：

$G_{KSK}=\frac1{1+Λ(v)+Λ(l)}$

‌应用场景‌：

头发、织物等特殊材质渲染

Unity URP的实现方案

选择方案：Smith-Joint-Schlick-GGX

‌实现代码‌：

hlsl
// Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/BRDF.hlsl
float V_SmithJointGGX(float NdotL, float NdotV, float roughness)
{float a2 = roughness * roughness;float lambdaV = NdotL * (NdotV * (1.0 - a2) + a2);float lambdaL = NdotV * (NdotL * (1.0 - a2) + a2);return 0.5 / (lambdaV + lambdaL + 1e-5f);
}

‌选择原因‌：

‌物理准确性‌：
- 与GGX NDF保持数学一致性
- 满足能量守恒和互易性
‌视觉质量‌：
- 在掠射角产生自然的阴影衰减
- 粗糙材质表现更真实
‌性能平衡‌：
- 相比完整Smith模型减少30%计算量
- 移动端友好(无复杂数学函数)
‌材质一致性‌：
- 与金属/粗糙度工作流完美配合
- 参数响应线性度好

优化技术

‌预计算部分项‌：

hlsl
// 预计算粗糙度平方
float a2 = roughness * roughness;

‌数值稳定性处理‌：

hlsl
// 避免除零错误
return 0.5 / (lambdaV + lambdaL + 1e-5f);

‌移动端简化版‌：

hlsl
#if defined(SHADER_API_MOBILE)float V_SmithMobile(float NdotL, float NdotV, float roughness){float a = roughness;float GGXV = NdotL * (NdotV * (1.0 - a) + a);float GGXL = NdotV * (NdotL * (1.0 - a) + a);return 0.5 / (GGXV + GGXL);}
#endif

各模型性能对比

模型	指令数	特殊函数	移动端适用性	视觉质量
Cook-Torrance	8	无	★★★★☆	★★☆☆☆
Smith完整版	15+	sqrt	★★☆☆☆	★★★★☆
Smith-Schlick	10	无	★★★★☆	★★★☆☆
URP实现	12	sqrt	★★★☆☆	★★★★☆
Kelemen	18+	复杂运算	★☆☆☆☆	★★★★★