【光照】[PBR][漫反射]实现方法对比

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URP BRDF漫反射方法对比

方法名称	数学公式	特点	性能消耗	适用场景
Lambert	$L_d = k_d * max(0, N·L)$	经典模型，能量不守恒	★☆☆	移动端低配
Half-Lambert	$L_d = k_d * (0.5*(N·L)+0.5)^2$	增强暗部细节	★★☆	卡通渲染
Disney Diffuse	复杂能量守恒公式	物理准确，计算复杂	★★★	PC/主机高品质
Burley Diffuse	基于微表面理论	PBR标准，次表面散射近似	★★★	金属/粗糙度工作流

具体实现方法及示例

Lambert模型（URP默认）

hlsl
// Lighting.hlsl 中的实现
half3 DiffuseLambert(half3 diffuseColor)
{
    return diffuseColor / PI; // 能量归一化
}

// 实际调用示例
half NdotL = saturate(dot(normalWS, light.direction));
half3 lambert = DiffuseLambert(_BaseColor.rgb) * NdotL;

Half-Lambert（Valve改进版）

hlsl
half3 DiffuseHalfLambert(half3 diffuseColor, half NdotL)
{
    half wrap = 0.5 * (NdotL + 1.0);
    return diffuseColor * wrap * wrap;
}

// 调用示例
half3 halfLambert = DiffuseHalfLambert(_BaseColor.rgb, NdotL);

Disney Diffuse（URP Lit.shader使用）

hlsl
// BRDF.hlsl 中的实现
half3 DiffuseDisney(half3 baseColor, half NdotV, half NdotL, half LdotH, half roughness)
{
    half fd90 = 0.5 + 2 * LdotH * LdotH * roughness;
    half lightScatter = (1 + (fd90 - 1) * pow(1 - NdotL, 5));
    half viewScatter = (1 + (fd90 - 1) * pow(1 - NdotV, 5));
    return baseColor * lightScatter * viewScatter / PI;
}

URP实际使用情况

• ‌默认采用方案‌：

  • Simple Lit管线：Lambert模型（简化版）
  • Lit管线：Disney Diffuse + Burley改进（见BRDF.hlsl）

• ‌核心代码路径‌：

  Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/BRDF.hlsl
  → DirectBDRF()函数
  → DisneyDiffuse()分支
  

• ‌性能优化策略‌：

  csharp
  // URP Asset中可关闭高质量漫反射
  UniversalRenderPipelineAsset.asset →
  Lighting → UseRoughnessRefraction = false
  

方法对比

• ‌视觉差异‌：
  • Lambert：明暗对比强烈
  • Half-Lambert：暗部提亮约30%
  • Disney：边缘光更自然（菲涅尔效应）
• ‌推荐选择‌：
  • 移动端：Lambert（Simple Lit）
  • 主机/PC：Disney（Lit Shader）
  • 风格化：Half-Lambert（需自定义Shader）

URP 2022 LTS版本中，主流的Lit.shader默认使用改进版Disney模型，通过#define _BRDF_BURLEY宏启用。开发者可通过修改BRDF.hlsl中的#define语句切换不同模型。

除了以上Unity URP中涉及到的基于物理光照模型的漫反射实现方式，还有Oren-Nayar模型来实现漫反射

Oren-Nayar模型原理

• ‌核心思想‌：

  由Michael Oren和Shree Nayar于1994年提出，基于‌微表面自阴影理论‌，适用于粗糙表面（如布料、砂石）。其公式为：

  $L = k_d * max(0, N·L) * (A + B * max(0, cos(φ_v-φ_l)) * sin(α) * tan(β))$

  $A = 1 - 0.5*(σ²)/(σ²+0.33)$

  $B = 0.45*(σ²)/(σ²+0.09)$

  $α = max(θ_v, θ_l)$

  $β = min(θ_v, θ_l)$

  • σ：表面粗糙度参数（0°-90°）
  • φ：方位角

• ‌视觉特性‌：

  • 粗糙表面边缘亮度增强
  • 逆向光时出现"后向散射"效果
  • 相比Lambert更符合真实布料观测

Unity URP中的使用情况

• ‌默认未采用原因‌：
  • ‌性能考量‌：需要额外计算角度和粗糙度（比Lambert多30%指令数）
  • ‌艺术控制‌：参数物理意义不如PBR直观
  • ‌光照一致性‌：URP优先保证移动端性能
• ‌替代方案‌：
  • 简单场景：使用SimpleLit的Lambert
  • 复杂材质：通过LitShader的Smoothness参数间接控制

手动实现方案

若需在URP中使用Oren-Nayar，可修改BRDF.hlsl：

hlsl
// 在BRDF.hlsl中添加
half3 DiffuseOrenNayar(half3 albedo, half roughness, half NdotV, half NdotL, half LdotV)
{
    half sigma2 = roughness * roughness;
    half A = 1.0 - 0.5 * sigma2 / (sigma2 + 0.33);
    half B = 0.45 * sigma2 / (sigma2 + 0.09);

    half s = LdotV - NdotL * NdotV;
    half t = s > 0 ? 1.0 / max(NdotL, NdotV) : 1.0;

    return albedo * (A + B * s * t) * NdotL;
}

适用场景建议

• ‌推荐使用情况‌：

  • 风格化渲染（如手绘布料）
  • 考古/地质仿真项目
  • 需要特殊边缘光效果的场景

• ‌性能对比‌：

  模型	指令数(移动端)	内存访问
  Lambert	12	3
  Oren-Nayar	38	5
  Disney	45	6

当前URP 2022 LTS版本中，可通过自定义Shader Graph节点实现Oren-Nayar，但官方未内置因其不符合URP的"性能优先"设计原则。实际项目中建议通过法线贴图+Lambert近似替代。

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