本文深入解析了PBR（基于物理渲染）與BRDF（雙向反射分布函數）的核心原理及在Unity URP中的應用。PBR通過物理可測量的材質屬性（金屬度/粗糙度）和微表面理論實現真實感渲染，其四大支柱包括材質參數系統、微表面理論、能量守恒和線性工作流。BRDF作為PBR的數學基礎，通過GGX法線分布、菲涅爾項等計算光線交互。文章詳細對比了傳統光照模型與PBR+BRDF的本質區別，并提供了URP中BRDF.hlsl的關鍵實現代碼（如GGX分布函數和Schlick菲涅爾近似），展示了PBR如何通過整合直接光照與IBL

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

PBR（Physically Based Rendendering）的核心內容與BRDF應用?

PBR是一種基于物理光學原理的渲染框架，其核心是通過?物理可測量的材質屬性?和?真實的光照計算規則?實現跨環境一致的真實感渲染。

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?PBR四大核心支柱?

模塊	作用	關鍵參數
?材質參數系統?	定義物體固有光學屬性	金屬度（Metallic）粗糙度（Roughness）基礎反射率（Albedo）
?微表面理論?	描述微觀幾何對光的影響	法線分布（NDF）幾何遮蔽（G）菲涅爾（F）
?能量守恒約束?	確保物理正確性	漫反射+鏡面反射≤入射光能
?線性工作流?	模擬真實光強度	HDR環境光照伽馬校正

BRDF和PBR的關系

BRDF（雙向反射分布函數）與PBR（基于物理的渲染）是計算機圖形學中緊密關聯的兩個概念.

理論層級關系

• ?BRDF是PBR的數學基礎?

  BRDF通過微表面理論（Microfacet Theory）描述光線與物體表面的交互，定義了入射光方向（ωi）與出射光方向（ωo）的反射比例關系?。

  PBR則基于BRDF構建完整的渲染流程，通過物理參數（如粗糙度、金屬度）實現真實材質模擬?。

• ?PBR的三大核心條件?

  • 微表面理論（BRDF的物理基礎）
  • 能量守恒（BRDF需滿足反射率≤1）
  • 基于物理的BRDF（如Cook-Torrance模型）?

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技術實現差異

特性	BRDF	PBR
?作用范圍?	局部反射計算（單點光照）	全局渲染流程（含IBL、陰影等）
?參數化?	數學函數（如GGX、Schlick）	材質系統（URP/Standard Shader）
?物理準確性?	高（需滿足能量守恒）	更高（整合多物理效應）

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Unity中的實際應用

• ?BRDF實現?
  • URP的BRDF.hlsl文件包含GGX法線分布、菲涅爾項等核心計算?。
  • 示例：BRDF_Unity_PBS函數組合漫反射與鏡面反射?。
• ?PBR流程?
  • 通過Lighting.hlsl整合BRDF與IBL（環境光遮蔽）?。
  • 材質參數（如_Metallic）直接控制BRDF行為?。

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演進與擴展

• ?從BRDF到PBR?：BRDF解決了Phong模型非物理問題，PBR進一步擴展至全局光照（如IBL）和材質系統?。
• ?現代應用?：URP/Standard Shader均采用PBR流程，但底層仍依賴BRDF的數學實現?

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BRDF（PBR）實現

核心腳本?

• BRDF.hlsl（路徑：Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/）
• 關鍵類：BRDFData（存儲粗糙度、金屬度等參數）和Lighting.hlsl（處理光照計算）

?實現方法?

• ?GGX法線分布函數?：

  hlsl
  float D_GGX(float NdotH, float roughness) {
      float a = roughness * roughness;
      return a / (PI * pow((NdotH * NdotH * (a - 1.0) + 1.0), 2.0));
  }
  

• ?菲涅爾項 Schlick近似?：其中F0為基礎反射率（金屬材質為0.9，非金屬為0.04）

  hlsl
  float3 F_Schlick(float3 F0, float VdotH) {
      return F0 + (1.0 - F0) * pow(1.0 - VdotH, 5.0);
  }
  

?調用流程?

• 在Shader中通過#include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"引入
• 最終調用BRDF_Unity_PBS函數組合漫反射和鏡面反射

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自定義擴展

• ?新增光照模型?
  • 修改StencilUsage.cs定義新的Stencil值（如MaterialCustom）
  • 在GBufferPass.cs中添加對應Shader Tag和Stencil寫入邏輯
• ?參數調整?
  • 標準光照模型：通過Material面板調整_Specular和_Glossiness
  • BRDF模型：調整_Metallic和_Smoothness參數

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對比總結

特性	標準光照模型	BRDF模型
?實現文件?	SimpleLit.shader	BRDF.hlsl + Lighting.hlsl
?核心函數?	UniversalFragmentBlinnPhong	BRDF_Unity_PBS
?物理準確性?	低（經驗模型）	高（微表面理論）

如需深度定制，建議參考URP官方Shader庫中的Lighting.hlsl和BRDF.hlsl實現

?BRDF在PBR中的具體應用?

PBR通過分解BRDF實現光照計算，以下是各部分的實現原理：

?鏡面反射計算（Cook-Torrance BRDF）

PBR直接調用BRDF的微表面模型：

$f_{spec}=\frac{F?D?G}{4(n?ω_i)(n?ω_o)}$

• ??? 菲涅爾項 F?

  基于Schlick近似：

  $F = F_0 + (1 - F_0)(1 - \cos\theta)^5$

  ?PBR應用?：

  • $F_0$由金屬度控制（金屬=Albedo，非金屬=0.04）
  • 掠射角反射增強自動實現（如水面倒影隨視角變化）

• ??? 法線分布 D?

  ?GGX模型?（主流選擇）：

  $D = \frac{\alpha_g^{2}{\pi[(n·h)}2(\alpha_g^2-1)+1]2}$

  ?PBR應用?：

  • 粗糙度參數α = roughness2控制高光擴散
  • 粗糙度高→微表面法線分散→寬泛柔和高光

• ??? 幾何遮蔽 G?

  Smith聯合遮蔽函數：

  $G = \frac{n·\omega_i}{n·\omega_i + k} · \frac{n·\omega_o}{n·\omega_o + k}$

  ?PBR應用?：

  • $k = (roughness + 1)^2 / 8$ 控制自陰影
  • 防止粗糙表面邊緣過亮（如磨損金屬棱角）

?漫反射計算?

采用?能量守恒型Lambert模型?：

$f_{diff}=\frac{albedo}{π}?(1?F)?(1?metallic)$

?PBR優化?：

• 金屬度metallic=1時漫反射歸零（純金屬無漫反射）
• (1-F)確保未被鏡面反射的光才參與漫反射

?環境光照（IBL）

PBR將BRDF擴展到環境光：

技術	作用	BRDF整合方式
?輻照度圖?	漫反射環境光	對BRDF的cos項半球積分
?預濾波環境圖?	鏡面反射環境光	按粗糙度預過濾GGX分布
?BRDF LUT?	菲涅爾補償	存儲∫fspecdωi∫fspecdωi預積分結果

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?PBR渲染流程中的BRDF調用?

典型PBR著色器代碼結構（Unity URP示例）：

hlsl
// 輸入參數
float3 albedo = baseColor.rgb;
float metallic = params.x;
float roughness = params.y;

// 1. 計算直接光照BRDF
float3 F0 = lerp(0.04, albedo, metallic); // 基礎反射率
float3 directLight = 0;
foreach (Light light in sceneLights) {
    float3 H = normalize(V + L);
    float NdotV = dot(N, V);
    float NdotL = dot(N, L);

    // BRDF計算
    float3 F = FresnelSchlick(max(dot(H, V), 0.0), F0);
    float D = NDF_GGX(roughness, N, H);
    float G = GeometrySmith(roughness, NdotV, NdotL);

    float3 kS = F; // 鏡面反射比例
    float3 kD = (1 - F) * (1 - metallic); // 漫反射比例

    // Cook-Torrance BRDF
    float3 specularBRDF = (F * D * G) / max(4.0 * NdotV * NdotL, 0.001);
    float3 diffuseBRDF = kD * albedo / PI;

    directLight += (diffuseBRDF + specularBRDF) * lightColor;
}

// 2. 應用IBL環境BRDF
float3 envDiffuse = texture(irradianceMap, N).rgb * albedo;
float3 R = reflect(-V, N);
float3 envSpecular = textureLod(prefilterMap, R, roughness * MAX_LOD).rgb;
float2 envBRDF = texture(BRDF_LUT, float2(NdotV, roughness)).rg;
float3 iblSpecular = envSpecular * (F0 * envBRDF.x + envBRDF.y);

// 3. 組合結果（能量守恒）
float3 result = (directLight + envDiffuse + iblSpecular) * aoMap;

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?PBR與傳統渲染的本質區別?

特性	傳統光照模型	PBR+BRDF
?參數意義?	人工經驗值	物理可測量屬性
?高光控制?	獨立高光強度參數	粗糙度+金屬度推導
?環境響應?	環境貼圖簡單疊加	IBL精確匹配BRDF
?一致性?	不同光照需重調參數	一次校準全場景適用

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?案例說明：金屬銅材質?

• ?材質參數?：

  albedo = (0.95, 0.64, 0.54)（銅色）

  metallic = 0.98

  roughness = 0.3

• ?BRDF作用?：

  • 菲涅爾項F：掠射角反射增強至金色
  • GGX分布D：中等粗糙度產生柔化高光邊緣
  • 幾何遮蔽G：表面微小凹痕產生陰影細節
  • IBL：環境中的暖色光自然融入反射

?? ?效果對比?：傳統Phong模型會顯示均勻橙色+圓形高光，而PBR+BRDF呈現真實的金屬漸變反射和表面微結構細節。

PBR通過系統化應用BRDF的物理光學模型，實現了材質表達的客觀性和光照響應的真實性，成為現代3A游戲與影視渲染的工業標準。

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【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

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