当前位置: 首页 > news >正文

【光照】[PBR][菲涅尔]实现方法对比

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

菲涅尔效应基本流程

菲涅尔效应(F)在BRDF中描述光线在不同入射角下的反射率变化,其计算流程通常分为三个步骤:

  • 基础反射率确定‌:0°入射角时的反射率(F₀)
  • 角度依赖计算‌:根据入射角变化调整反射率
  • 金属/非金属处理‌:区分导体和绝缘体的不同表现

主要菲涅尔模型实现

1. Schlick近似模型

原理‌:

  • 对完整菲涅尔方程的简化近似
  • 使用有理函数替代复杂计算

公式‌:

$F_{Schlick}(v,h)=F_0+(1−F_0)(1−(v⋅h))^5$

特点‌:

  • 计算效率高
  • 精度足够实时渲染使用
  • 在掠射角(90°)强制反射率为1

Unity URP实现‌:

hlsl
// Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/BRDF.hlsl
half3 F_Schlick(half u, half3 F0)
{return F0 + (1 - F0) * pow(1 - u, 5);
}

2. 完整菲涅尔方程

原理‌:

  • 基于麦克斯韦电磁学方程
  • 考虑光的偏振特性

公式‌:

$F_{完整}=\frac12[(\frac{g−c}{g+c})2+(\frac{c(g+c)−1}{c(g−c)+1})2]$

其中 $c=v⋅h, g=\sqrt{n2+c2−1}$

特点‌:

  • 物理精确但计算复杂
  • 主要用于离线渲染

3. Spherical Gaussian近似

原理‌:

  • 用高斯函数近似菲涅尔曲线
  • 特别适合移动端

公式‌:

$F_{SG}(v,h)=F_0+(1−F_0)2^{(−5.55473(v⋅h)−6.98316)(v⋅h)}$

特点‌:

  • 无pow函数计算
  • 适合低精度硬件

Unity URP的选择与实现

核心方案:Schlick近似 + 金属工作流

完整实现代码‌:

hlsl
// URP中的菲涅尔计算
half3 F_Fresnel(half3 F0, half u)
{half t = pow(1 - u, 5); // Schlick的(1-cosθ)^5项return saturate(F0 + (1 - F0) * t); // 基础Schlick公式
}// 实际应用时:
half3 F = F_Fresnel(F0, saturate(dot(viewDir, halfDir)));

选择原因‌:

  • 性能与质量平衡‌:

    • 仅需1次pow运算
    • 视觉误差小于2%,人眼难以察觉
  • 金属/非金属统一处理‌:

    hlsl
    // F0基础反射率计算
    half3 F0 = lerp(0.04, albedo, metallic); // 0.04是非金属基础反射率
    
  • 能量守恒‌:

    • 保证反射光能量不超过入射光
    • 与GGX+Smith模型完美配合
  • 艺术家友好‌:

    • 通过metallic参数直观控制
    • 反射颜色直接取自albedo贴图

优化实现细节

  • 移动端优化版‌:

    hlsl
    half3 F_FresnelMobile(half3 F0, half u)
    {half t = exp2((-5.55473 * u - 6.98316) * u); // SG近似return saturate(F0 + (1 - F0) * t);
    }
    
  • 各向异性扩展‌:

    hlsl
    half3 F_Anisotropic(half3 F0, half u, half anisotropy)
    {half t = pow(1 - u, 5);return F0 + (max(1 - anisotropy, 0.1) - F0) * t;
    }
    
  • 多散射补偿‌:

    hlsl
    half3 F_MultiScatter(half3 F0, half u, half roughness)
    {half3 F = F_Fresnel(F0, u);half3 Favg = F0 + (1 - F0) / 21; // 平均菲涅尔return F + (Favg - F) * roughness * 0.9;
    }
    

各模型性能对比

模型 指令数 特殊函数 移动端适用性 物理精度
Schlick 6-8 pow() ★★★★☆ ★★★☆☆
完整方程 20+ sqrt等 ★☆☆☆☆ ★★★★★
Spherical Gaussian 5-7 exp2() ★★★★★ ★★☆☆☆
URP实现 7-9 pow() ★★★★☆ ★★★★☆

为什么Schlick成为行业标准

历史验证‌:

  • 自1994年提出以来经过大量实践验证
  • 被所有主流引擎采用(Unreal, Unity, Frostbite等)

硬件友好‌:

  • 现代GPU对pow函数有硬件优化
  • 不需要复杂分支判断

参数直观‌:

hlsl
// 基础反射率设置示例
float3 F0 = float3(0.04, 0.04, 0.04); // 塑料
float3 F0 = float3(0.95, 0.64, 0.54); // 铜

扩展性强‌:

  • 容易与各向异性、清漆层等效果结合
  • 支持多散射补偿等高级特性

Unity URP选择Schlick近似是在实时渲染约束下做出的最优权衡,能够在保持物理合理性的同时满足性能要求,特别是在移动平台上表现出色。随着硬件发展,虽然更精确的模型变得可行,但Schlick因其简洁有效仍然是实时渲染的首选方案。


【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,🙏)

http://www.hskmm.com/?act=detail&tid=23207

相关文章:

  • 20251002NOIP模拟赛
  • P10279 [USACO24OPEN] The Winning Gene S题解
  • zsh
  • 从零搭建雷池WAF:环境配置、安装部署与Web防护实战
  • 论文速读记录 | 2025.10
  • 【Rust GUI开发入门】编写一个本地音乐播放器(15. 记录运行日志) - Jordan
  • 6 种常见 AI 编程协作便捷的方法总结
  • DeploySharp开源发布:让C#部署深度学习模型更加简单
  • 别样的国庆作业大战
  • ROS2之服务
  • macOS上优雅运行Docker容器
  • 题解:CF1770H Koxia, Mahiru and Winter Festival
  • HarmonyOS之LocalStorage - 详解
  • Spring Boot Logback:实现定时任务日志与业务日志隔离 - Higurashi
  • 网络流 最小割 Dinic算法
  • 15.VLANIF(2025年9月30日) - 教程
  • 树莓派搭建NAS之一:安装系统
  • 新手Markdown学习
  • 马云归来,“新零售”不死 - 指南
  • RNN
  • 10.2笔记
  • Shell / Bash 学习
  • 【Linux 架构探幽:从入门到内核・系统编程开篇】基础指令与权限精讲,筑牢框架制作根基
  • 使用 Dart 进行验证码识别
  • 用 Rust 进行验证码识别
  • teset3
  • Java并发编程(5)
  • 定时任务详解
  • 华为wlan无线配置 - 教程
  • PINN训练新思路:把初始条件和边界约束嵌入网络架构,解决多目标优化难题