【光照】[漫反射]UnityURP蘭伯特能量守恒嗎?

本文探討了Unity URP渲染管線中蘭伯特漫反射模型的能量守恒性問題。傳統蘭伯特模型因缺乏歸一化因子會導致反射率超標，URP通過引入1/π因子修正實現了能量守恒。文章分析了修正模型與PBR工作流的兼容性，指出其在材質參數、HDR管線和后期處理方面完全兼容，但在金屬度處理、菲涅爾效應和全局光照方面存在局限。建議移動端項目使用優化版蘭伯特，PC/主機項目采用完整PBR模型，風格化渲染可自定義增強效果。URP支持通過條件編譯實現不同模型的靈活切換，開發者可根據項目需求在物理準確性和性能之間取得平衡。

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

蘭伯特漫反射的能量守恒性

?能量守恒基本原理?

在物理正確的渲染中，能量守恒要求：

表面反射的光能總量 ≤ 入射光能
漫反射+高光反射 ≤ 1.0
沒有能量憑空產生或消失

?經典蘭伯特模型的能量守恒問題?

傳統蘭伯特漫反射公式：

$漫反射 = 表面反照率 × max(0, N·L)$

?不守恒的原因?：

?缺乏歸一化因子?：
- 半球積分結果應為π，但蘭伯特模型直接使用N·L
- 正確公式應為：$漫反射 = 表面反照率 / π × max(0, N·L)$
?反射率超標?：
- 當反照率(albedo)設為1.0時，反射率可能超過100%
- 例如：N·L=1時反射率為100%，但實際應有吸收損失
?恒定反射率?：
- 對所有入射角使用相同反射率
- 現實中菲涅爾效應導致掠射角反射率增加

?URP中的修正方案?

Unity URP采用改進的蘭伯特模型：

hlsl
// URP實際實現（Lighting.hlsl）
half diffuseTerm = saturate(dot(normal, lightDir));
half3 diffuse = albedo * lightColor * diffuseTerm * INV_PI;

其中：

INV_PI ≈ 0.31831 (1/π)
通過除以π實現能量歸一化

PBR工作流兼容性分析

?兼容性類型?

兼容維度	支持情況	說明
數據輸入	? 完全兼容	使用相同的albedo貼圖輸入
光照計算	?? 部分兼容	缺乏物理反射特性
材質工作流	? 完全兼容	支持標準材質參數
后期處理	? 完全兼容	兼容HDR/Bloom等效果
全局光照	?? 有限兼容	需要特殊處理

?完全兼容的方面?

?材質參數統一?：
- 使用相同的albedo紋理和顏色參數
- 支持相同的法線貼圖格式
?HDR管線整合?：
- 支持線性顏色空間
- 兼容HDR渲染和自動曝光
?后期處理協同?：
- 與Bloom效果無縫配合
- 支持屏幕空間環境光遮蔽(SSAO)

?有限兼容的方面?

?能量守恒缺口?：

graph LR A[入射光能量] --> B[經驗模型] B --> C[漫反射輸出] C --> D{能量總和} D --> |100%| E[違反守恒] D --> |物理模型<90%| F[正確守恒]
?金屬度工作流問題?：
- 金屬表面應無漫反射，但蘭伯特模型無法正確處理
- 需要額外代碼屏蔽金屬表面的漫反射
?菲涅爾效應缺失?：
- 掠射角反射率無增強
- 影響邊緣光照的真實性
?全局光照不一致?：
- 與基于物理的GI系統配合時可能出現能量不匹配
- 需要手動調整間接光照強度

?URP中的兼容性實現?

URP采用混合方案實現兼容：

hlsl
// URP的BRDF處理（BRDF.hlsl）
half3 BRDF_lambert(half3 albedo)
{
    return albedo * INV_PI;
}

#if defined(_PBR_ENABLED)
    // 物理正確的漫反射計算
    half3 diffuse = BRDF_lambert(albedo) * saturate(NdotL);
#else
    // 傳統蘭伯特計算
    half3 diffuse = albedo * saturate(NdotL);
#endif

結論與建議

?能量守恒結論?

?原始蘭伯特模型不守恒?：缺乏歸一化因子，反射率可能超標
?修正版可基本守恒?：通過添加1/π因子實現能量平衡
?URP實現部分守恒?：在標準著色器中已包含修正因子

?PBR兼容性結論?

? ?美術工作流兼容?：可使用相同材質和紋理
? ?物理精度局限?：無法完全匹配物理反射特性
? ?工程實用方案?：適合風格化/性能優先項目

?實際開發建議?

?移動端項目?：

hlsl
// 使用優化版蘭伯特（包含能量修正）
half3 diffuse = albedo * saturate(NdotL) * 0.31831;

?PC/主機項目?：

hlsl
// 使用完整PBR漫反射（Disney模型）
half3 diffuse = albedo * (1 / PI) * (1 - metallic) * saturate(NdotL);

?風格化渲染?：

hlsl
// 藝術導向的增強版
half3 diffuse = albedo * pow(saturate(NdotL), _RampPower) * _Intensity;

在URP中，經驗模型與PBR工作流可通過條件編譯實現無縫切換，開發者可根據目標平臺和藝術需求選擇最適合的模型，在物理準確性和性能之間取得最佳平衡。