摘要：文章介紹了Unity URP渲染管線中的幾何遮蔽(G)計(jì)算流程，重點(diǎn)分析了幾種主流幾何遮蔽模型的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方案。URP采用Smith-Joint-Schlick-GGX模型，在物理準(zhǔn)確性、視覺質(zhì)量和性能之間取得平衡，既保證了與GGX法線分布的一致性，又通過優(yōu)化技術(shù)（如預(yù)計(jì)算、數(shù)值穩(wěn)定性處理）提升執(zhí)行效率。文章還對(duì)比了Cook-Torrance、Smith完整版等模型的優(yōu)缺點(diǎn)，說明URP選擇該方案的原因，包括滿足能量守恒、移動(dòng)端友好等特性，為游戲渲染提供了優(yōu)質(zhì)解決方案。

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達(dá)

幾何遮蔽的基本流程

幾何遮蔽(G)在BRDF中用于模擬微表面間的自陰影和遮蔽效應(yīng)，其計(jì)算流程通常分為三個(gè)步驟：

• ?遮蔽項(xiàng)計(jì)算?：光線入射方向的遮擋概率
• ?陰影項(xiàng)計(jì)算?：視線方向的遮擋概率
• ?聯(lián)合計(jì)算?：將兩者結(jié)合形成完整的幾何函數(shù)

主要幾何遮蔽模型

1. Cook-Torrance模型

?原理?：

• 基于V形微槽假設(shè)
• 使用簡(jiǎn)單的min函數(shù)計(jì)算遮蔽和陰影

?公式?：

$G_{Cook-Torrance}=min?(1,\frac{2(n?h)(n?v)}{v?h},\frac{2(n?h)(n?l)}{v?h})$

?特點(diǎn)?：

• 計(jì)算簡(jiǎn)單但不夠精確
• 在掠射角表現(xiàn)不佳

2. Smith模型

?原理?：

• 將幾何項(xiàng)分解為獨(dú)立的遮蔽和陰影項(xiàng)
• 假設(shè)微表面高度服從統(tǒng)計(jì)分布

?公式?：

$G_{Smith}=G_1(v)?G_1(l)$

?Unity URP選擇?：

hlsl
// URP中Smith聯(lián)合Schlick-GGX實(shí)現(xiàn)
float V_SmithGGX(float NdotL, float NdotV, float roughness)
{
    float a = roughness;
    float a2 = a * a;

    float GGXV = NdotL * sqrt(NdotV * NdotV * (1.0 - a2) + a2);
    float GGXL = NdotV * sqrt(NdotL * NdotL * (1.0 - a2) + a2);

    return 0.5 / max((GGXV + GGXL), 0.000001);
}

?選擇原因?：

• 與GGX法線分布完美匹配
• 能量守恒性更好
• 計(jì)算效率較高

3. Schlick近似模型

?原理?：

• 對(duì)Smith模型的快速近似
• 使用有理函數(shù)替代復(fù)雜計(jì)算

?公式?：

$G_{Schlick}(n,v)=\frac{n?v}{(n?v)(1?k)+k},k=\frac{(α+1)^2}8$

?特點(diǎn)?：

• 適合移動(dòng)端等性能受限平臺(tái)
• 精度略低于完整Smith模型

4. Kelemen-Szirmay-Kalos模型

?原理?：

• 基于微表面斜率分布
• 特別適合各向異性材質(zhì)

?公式?：

$G_{KSK}=\frac1{1+Λ(v)+Λ(l)}$

?應(yīng)用場(chǎng)景?：

• 頭發(fā)、織物等特殊材質(zhì)渲染

Unity URP的實(shí)現(xiàn)方案

選擇方案：Smith-Joint-Schlick-GGX

?實(shí)現(xiàn)代碼?：

hlsl
// Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/BRDF.hlsl
float V_SmithJointGGX(float NdotL, float NdotV, float roughness)
{
    float a2 = roughness * roughness;
    float lambdaV = NdotL * (NdotV * (1.0 - a2) + a2);
    float lambdaL = NdotV * (NdotL * (1.0 - a2) + a2);

    return 0.5 / (lambdaV + lambdaL + 1e-5f);
}

?選擇原因?：

• ?物理準(zhǔn)確性?：
  • 與GGX NDF保持?jǐn)?shù)學(xué)一致性
  • 滿足能量守恒和互易性
• ?視覺質(zhì)量?：
  • 在掠射角產(chǎn)生自然的陰影衰減
  • 粗糙材質(zhì)表現(xiàn)更真實(shí)
• ?性能平衡?：
  • 相比完整Smith模型減少30%計(jì)算量
  • 移動(dòng)端友好(無復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù))
• ?材質(zhì)一致性?：
  • 與金屬/粗糙度工作流完美配合
  • 參數(shù)響應(yīng)線性度好

優(yōu)化技術(shù)

• ?預(yù)計(jì)算部分項(xiàng)?：

  hlsl
  // 預(yù)計(jì)算粗糙度平方
  float a2 = roughness * roughness;
  

• ?數(shù)值穩(wěn)定性處理?：

  hlsl
  // 避免除零錯(cuò)誤
  return 0.5 / (lambdaV + lambdaL + 1e-5f);
  

• ?移動(dòng)端簡(jiǎn)化版?：

  hlsl
  #if defined(SHADER_API_MOBILE)
      float V_SmithMobile(float NdotL, float NdotV, float roughness)
      {
          float a = roughness;
          float GGXV = NdotL * (NdotV * (1.0 - a) + a);
          float GGXL = NdotV * (NdotL * (1.0 - a) + a);
          return 0.5 / (GGXV + GGXL);
      }
  #endif
  

各模型性能對(duì)比

模型	指令數(shù)	特殊函數(shù)	移動(dòng)端適用性	視覺質(zhì)量
Cook-Torrance	8	無	★★★★☆	★★☆☆☆
Smith完整版	15+	sqrt	★★☆☆☆	★★★★☆
Smith-Schlick	10	無	★★★★☆	★★★☆☆
URP實(shí)現(xiàn)	12	sqrt	★★★☆☆	★★★★☆
Kelemen	18+	復(fù)雜運(yùn)算	★☆☆☆☆	★★★★★

Unity URP的選擇在視覺質(zhì)量和計(jì)算開銷之間取得了最佳平衡，特別是考慮到現(xiàn)代GPU的架構(gòu)特性(SIMD執(zhí)行)，即使包含sqrt運(yùn)算也不會(huì)造成顯著性能瓶頸。

---

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達(dá)

（歡迎點(diǎn)贊留言探討，更多人加入進(jìn)來能更加完善這個(gè)探索的過程，??）