【光照】Unity中的[光照模型]概念辨析

本文介紹了游戲渲染中的核心光照模型。傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)光照模型（Phong/Blinn-Phong）包含漫反射和環(huán)境光，計算簡單但真實感不足。物理基礎(chǔ)渲染（PBR）基于BRDF數(shù)學(xué)框架，整合GGX法線分布和菲涅爾效應(yīng)，通過金屬度/粗糙度參數(shù)實現(xiàn)更真實的能量守恒光照效果。相比傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)Ｐ停琍BR計算復(fù)雜度更高但效果更逼真，已成為現(xiàn)代游戲和3D設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)渲染流程。

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

基礎(chǔ)光照模型?

?標(biāo)準(zhǔn)光照模型（Standard Lighting Model）?

?定義?：傳統(tǒng)光照計算的框架，通常包含漫反射、鏡面反射和環(huán)境光三部分。
?特點?：非物理經(jīng)驗?zāi)Ｐ停嬎愫唵蔚狈φ鎸嵏小?/li>
?從屬關(guān)系?：
- 包含 ?漫反射? 和 ?高光反射?
- 是 ?Phong模型? 和 ?Blinn-Phong模型? 的基礎(chǔ)框架。

?漫反射（Diffuse Reflection）?

?定義?：光線均勻散射到所有方向（如啞光表面）。
?模型?：
- ?蘭伯特模型Lambertian Model?：
  - 公式：I = k_d * (N·L)
  - 特點：與視角無關(guān)，僅依賴法線和光照方向。

?高光反射（Specular Reflection）?

?定義?：光線集中反射（如鏡面或金屬光澤）。
?模型?：
- ?Phong模型?：
  - 公式：I = k_s * (R·V)^n
  - 特點：基于反射向量（R）和視角（V）計算高光。
- ?Blinn-Phong模型?：
  - 公式：I = k_s * (N·H)^n
  - 特點：用半角向量（H）替代反射向量，計算更高效。

?物理基礎(chǔ)模型?

?BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）?

?定義?：描述入射光與出射光關(guān)系的數(shù)學(xué)函數(shù)，是PBR的理論基礎(chǔ)。
?特點?：
- 滿足能量守恒（反射率≤1）。
- 包含 ?漫反射? 和 ?鏡面反射? 的物理計算。
?從屬關(guān)系?：
- 是 ?PBR? 的核心數(shù)學(xué)工具。
- 包含 ?GGX?（法線分布函數(shù)）和 ?菲涅爾效應(yīng)?。

?GGX（Trowbridge-Reitz分布）?

?定義?：一種微表面法線分布函數(shù)（NDF），用于PBR的鏡面反射計算。
?特點?：
- 更真實模擬粗糙表面的高光拖尾效果。
- 公式：D(m) = α2 / [π((N·m)2(α2-1)+1)2]
?從屬關(guān)系?：
- 屬于 ?BRDF? 的組成部分。
- 是 ?Cook-Torrance BRDF? 的核心部分。

?菲涅爾效應(yīng)（Fresnel Effect）?

?定義?：光線在不同角度下反射率變化的物理現(xiàn)象（如玻璃邊緣更反光）。
?特點?：
- 金屬材質(zhì)反射率隨角度變化顯著。
- 非金屬材質(zhì)（如塑料）反射率較低。
?從屬關(guān)系?：
- 是 ?BRDF? 的組成部分。
- 在 ?PBR? 中用于計算鏡面反射。

?高級渲染框架?

?PBR（Physically Based Rendering）?

?定義?：基于物理的渲染流程，使用BRDF等物理模型模擬真實光照。
?特點?：
- 能量守恒（無“超亮”高光）。
- 參數(shù)化（金屬度、粗糙度）。
?從屬關(guān)系?：
- 基于 ?BRDF? 和 ?微表面理論?。
- 包含 ?GGX? 和 ?菲涅爾效應(yīng)?。
- 替代傳統(tǒng) ?標(biāo)準(zhǔn)光照模型?。

?關(guān)系層級圖?

graph TD A[標(biāo)準(zhǔn)光照模型] --> B[漫反射] A --> C[高光反射] B --> D[蘭伯特模型] C --> E[Phong模型] C --> F[Blinn-Phong模型] G[BRDF] --> H[漫反射] G --> I[鏡面反射] I --> J[GGX] I --> K[菲涅爾效應(yīng)] L[PBR] --> G L --> M[能量守恒] L --> N[微表面理論]

?關(guān)鍵區(qū)別?

概念	物理性	計算復(fù)雜度	應(yīng)用場景
標(biāo)準(zhǔn)光照模型	低	低	實時渲染（如老游戲）
BRDF	高	高	電影級渲染
PBR	高	中	現(xiàn)代游戲/3D設(shè)計

?總結(jié)?

?傳統(tǒng)模型?（如Phong/Blinn-Phong）是經(jīng)驗公式，適合快速渲染。
?BRDF? 是物理模型，為PBR提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。
?PBR? 是完整流程，整合BRDF、GGX、菲涅爾等實現(xiàn)真實感渲染。