【光照】[各向异性]在UnityURP中的实现

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Kajiya-Kay模型在Unity URP中的BRDF实现

模型原理与特点

Kajiya-Kay模型是一种专门用于模拟头发、毛发等纤维状材质各向异性高光的光照模型，其核心特点是用切线方向替代传统法线方向计算高光反射。该模型具有以下特性：

• ‌切线空间计算‌：使用切线向量(Tangent)或副切线(Bitangent)替代法线向量，通过TdotH = dot(tangent, halfVector)计算高光强度，再转换为TsinH = sqrt(1 - TdotH²)实现条状高光效果。
• ‌双层高光特性‌：主高光(Primary Specular)靠近发梢，次高光(Secondary Specular)靠近发根且带有彩色偏移，模拟Marschner模型的散射特性。
• ‌切线偏移技术‌：通过噪声贴图扰动切线方向(ShiftTangent函数)，增强高光的动态变化和真实感。

URP中的BRDF结构

在Unity URP中，BRDF通常基于Cook-Torrance微表面模型，包含

三个核心组件：

• ‌D项 法线分布函数‌：描述微表面法线的分布，常用GGX模型。
• ‌F项 菲涅尔项‌：使用Schlick近似计算反射光强。
• ‌G项 几何遮蔽项‌：采用Smith联合阴影函数，结合光方向和视线方向的遮蔽效果。

URP中的BRDF数据通常包含以下字段：

csharp
struct BRDF {
    float3 diffuse;// 材料身颜色
    float3 specular;// 材料本身的高光颜色
    float roughness;// 粗糙度
    float perceptualRoughness;// 感知粗糙度
    float fresnel;// 材料本身菲涅尔反射颜色
}

Kajiya-Kay与BRDF的整合方法

要将Kajiya-Kay模型融入URP的BRDF框架，需要进行以下

关键处理：

• ‌切线空间转换‌：
  • 使用TBN矩阵(切线-副切线-法线矩阵)将标准BRDF计算转换到切线空间
  • 在顶点着色器中计算并传递切线空间向量
• ‌高光项替换‌：
  • 用Kajiya-Kay的D_KajiyaKay函数替换标准BRDF中的D项
  • 保持F项和G项不变，或根据需要进行调整
• ‌双层高光实现‌：
  • 主高光使用原始切线方向计算
  • 次高光使用偏移后的切线方向计算，并赋予不同颜色

完整实现代码

以下是Kajiya-Kay BRDF在URP Shader中的完整实现框架：

hlsl
// 1. 计算偏移后的切线方向
float3 ShiftTangent(float3 T, float3 N, float shift) {
    return normalize(T + N * shift);
}

// 2. Kajiya-Kay高光计算
float D_KajiyaKay(float3 T, float3 H, float shininess) {
    float TdotH = dot(T, H);
    float sinTH = sqrt(1.0 - TdotH * TdotH);
    return pow(sinTH, shininess);
}

// 3. BRDF整合计算
void Lighting_KajiyaKay(
    SurfaceData surface,
    inout Light light,
    inout BRDFData brdf,
    inout float3 specular)
{
    // 切线空间转换
    float3 T = surface.tangent;
    float3 B = cross(surface.normal, T) * surface.tangent.w;
    float3 N = surface.normal;

    // 计算主高光
    float3 H = normalize(light.dir + viewDir);
    float3 T_shifted = ShiftTangent(T, N, _ShiftAmount1);
    float3 H_shifted = normalize(light.dir + viewDir);

    // 计算次高光
    float3 T_shifted2 = ShiftTangent(T, N, _ShiftAmount2);
    float3 H_shifted2 = normalize(light.dir + viewDir);

    // 计算高光项
    float specular1 = D_KajiyaKay(T_shifted, H_shifted, _Shininess1);
    float specular2 = D_KajiyaKay(T_shifted2, H_shifted2, _Shininess2);

    // 组合结果
    specular = _SpecColor1 * specular1 + _SpecColor2 * specular2;

    // 标准BRDF漫反射部分
    brdf.diffuse = surface.color * (1.0 - _Metallic);
    brdf.specular = lerp(0.04, surface.color, _Metallic);
    brdf.roughness = _Roughness;
}

实现要点说明

‌纹理需求‌：

• 基础色贴图(Albedo)
• 各向异性噪声贴图(控制高光扰动)
• 半透明通道(Alpha贴图)

‌优化技巧‌：

• 利用URP内置函数SafeNormalize和NormalizeNormalPerPixel提升计算稳定性
• 副切线(Bitangent)通过cross(N, T) * tangent.w正确生成，避免UV方向错误

‌参数设置‌：

• _ShiftAmount1/2：控制主次高光的切线偏移量
• _Shininess1/2：控制主次高光的锐利程度
• _SpecColor1/2：设置主次高光的颜色

该实现通过将Kajiya-Kay模型的核心计算融入URP的标准BRDF框架，既保持了PBR工作流的兼容性，又实现了纤维材质特有的各向异性高光效果

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