文章摘要：Unity中的反射探針技術(shù)通過立方體貼圖捕捉環(huán)境反射，解決了復(fù)雜場景下的反射失真問題。URP管線中反射探針支持烘焙、實時和混合三種模式，通過三線性插值算法實現(xiàn)多探針平滑過渡。核心實現(xiàn)包括權(quán)重計算、HDR解碼和探針混合，開發(fā)者可通過調(diào)整混合距離、類型和分辨率優(yōu)化性能。反射探針與SSR、天空反射等技術(shù)形成互補，URP中需根據(jù)項目需求合理選擇反射方案組合。

【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達

反射探針介紹與歷史發(fā)展

反射探針(Reflection Probe)是Unity引擎中用于模擬環(huán)境反射的核心技術(shù)，它通過預(yù)烘焙或?qū)崟r捕獲場景的立方體貼圖(CubeMap)來實現(xiàn)物體表面的環(huán)境反射效果。傳統(tǒng)游戲使用單一的反射貼圖技術(shù)，假定所有反射對象都能看到相同的環(huán)境，這在開放空間有效，但在復(fù)雜場景(如隧道、室內(nèi))會產(chǎn)生不真實的反射效果。

Unity通過引入反射探針改進了這一技術(shù)，允許在場景關(guān)鍵點采樣視覺環(huán)境，當(dāng)反射對象靠近探針時使用該探針的立方體貼圖，多個探針之間還能進行插值實現(xiàn)反射的平滑過渡。這種技術(shù)在保持視覺效果的同時將處理開銷控制在可接受水平。

反射探針在URP中的應(yīng)用

在Unity通用渲染管線(URP)中，反射探針節(jié)點(Reflection Probe Node)是Shader Graph中用于采樣反射探針的基礎(chǔ)工具。其主要應(yīng)用場景包括：

• ?室內(nèi)場景?：在房間關(guān)鍵位置放置探針，模擬天花板、墻壁對家具的反射
• ?車輛表面?：在隧道入口、開放空間等反射變化明顯的區(qū)域放置探針
• ?鏡面效果?：通過高精度反射探針制作鏡子等高度反射表面
• ?金屬物體?：為金屬材質(zhì)提供環(huán)境反射，增強真實感

URP中的反射探針通過以下Shader代碼采樣：

hlsl
half4 envCol = SAMPLE_TEXTURECUBE(unity_SpecCube0, samplerunity_SpecCube0, reflectDir);
half3 envHDRCol = DecodeHDREnvironment(envCol, unity_SpecCube0_HDR);

其中reflectDir是通過表面法線和視角方向計算出的反射方向。

反射探針優(yōu)化策略

• ?類型選擇?：
  • 烘焙探針：適用于靜態(tài)場景，性能開銷最低
  • 實時探針：適用于動態(tài)物體，資源消耗中等至高
  • 混合探針：結(jié)合烘焙和實時特性，平衡效果與性能
• ?分辨率控制?：根據(jù)物體重要性調(diào)整探針的分辨率
• ?LOD參數(shù)?：通過調(diào)整模糊程度平衡畫質(zhì)與性能
• ?探針放置?：
  • 在反射變化明顯的區(qū)域(如隧道入口、房間轉(zhuǎn)角)放置探針
  • 避免過度密集的探針布局
• ?代理體積?：使用反射代理體積修正反射探針的視差問題，提升非捕捉點的反射精度

多探針混合原理與示例

當(dāng)物體位于多個反射探針影響范圍內(nèi)時，URP/HDRP會按照以下層次結(jié)構(gòu)混合反射效果：

• ?混合邏輯?：
  • 屏幕空間反射(SSR)優(yōu)先覆蓋可見像素
  • 反射探針按權(quán)重比例混合重疊區(qū)域效果
  • 天空反射作為全局基礎(chǔ)反射源
• ?評估順序?：
  • 屏幕空間反射(SSR)
  • 實時反射探針(按權(quán)重排序)
  • 烘焙反射探針(按權(quán)重排序)
  • 天空反射

?示例場景?：假設(shè)一個汽車從室外駛?cè)胨淼溃?/p>

• 室外區(qū)域：主要使用天空反射和開放空間的反射探針
• 隧道入口：開始混合室外探針和隧道內(nèi)部探針的反射
• 隧道內(nèi)部：完全使用隧道內(nèi)部的反射探針立方體貼圖

這種混合機制通過插值實現(xiàn)平滑過渡，避免反射的突然變化。在Shader中，多個探針的混合通常通過三線性插值實現(xiàn)，采樣周圍8個最近的探針數(shù)據(jù)。

多反射探針混合數(shù)學(xué)原理

在Unity URP中，多反射探針混合采用三線性插值算法，基于物體位置與探針的距離計算權(quán)重。混合權(quán)重計算公式遵循距離反比原則，通常使用平滑過渡函數(shù)實現(xiàn)自然過渡效果。

?核心數(shù)學(xué)公式?：

• 權(quán)重計算：weight = 1 - (distance / blendDistance)，其中distance是物體到探針中心的距離，blendDistance是探針的混合范圍
• 三線性插值：通過選取插值點周圍8個相鄰數(shù)據(jù)點，沿x、y、z軸進行線性插值加權(quán)求和得出目標點數(shù)值
• 最終混合顏色：finalColor = Σ(probeColor[i] * weight[i]) / Σweight[i]，其中i遍歷所有影響當(dāng)前物體的探針

當(dāng)物體位于多個反射探針影響范圍內(nèi)時，URP會按照以下層次結(jié)構(gòu)混合反射效果：

• 屏幕空間反射(SSR)優(yōu)先覆蓋可見像素
• 反射探針按權(quán)重比例混合重疊區(qū)域效果
• 天空反射作為全局基礎(chǔ)反射源

URP中的實現(xiàn)類與源碼分析

URP中反射探針混合的核心實現(xiàn)涉及以下關(guān)鍵類：

• ?VisibleReflectionProbe?：存儲可見反射探針的打包信息，包括混合距離、包圍盒、HDR解碼數(shù)據(jù)等

  csharp
  struct VisibleReflectionProbe {
      float blendDistance;// 探針混合距離
      Bounds bounds;// 探針包圍盒
      Vector3 center;// 探針投影中心// 其他關(guān)鍵屬性...
  }
  

• ?ReflectionProbeBlendInfo?：包含混合探針所需的信息，包括探針引用和權(quán)重值(0.0到1.0)

  csharp
  struct ReflectionProbeBlendInfo {
      ReflectionProbe probe;// 混合中使用的反射探針float weight;// 插值使用的權(quán)重
  }
  

• ?UniversalRenderPipeline?：URP主類，負責(zé)管理反射探針的更新和混合流程

核心混合邏輯在URP渲染管線中實現(xiàn)，主要步驟包括：

• 通過ScriptableRenderContext.Cull獲取可見反射探針列表
• 根據(jù)物體位置計算與各探針的距離和權(quán)重
• 對權(quán)重最高的幾個探針進行三線性插值混合
• 將混合結(jié)果傳遞給著色器使用

手動實現(xiàn)多探針混合示例

以下是手動實現(xiàn)多探針混合的HLSL代碼示例：

代碼功能說明：

• 定義了反射探針數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含位置、混合距離等關(guān)鍵屬性

• 實現(xiàn)了基于距離的權(quán)重計算函數(shù)

• 提供了單個探針采樣和HDR解碼功能

• 實現(xiàn)了多探針加權(quán)混合算法，支持最多4個探針的混合

• MultiProbeBlending.hlsl

  // 定義探針數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  struct ReflectionProbeData {
      float3 position;
      float blendDistance;
      TextureCube cubeMap;
      float4 hdrDecodeValues;
  };
  
  // 計算探針權(quán)重
  float CalculateProbeWeight(float3 worldPos, ReflectionProbeData probe) {
      float distance = length(worldPos - probe.position);
      return saturate(1.0 - distance / probe.blendDistance);
  }
  
  // 采樣單個探針
  float3 SampleReflectionProbe(ReflectionProbeData probe, float3 reflectDir) {
      float4 envCol = SAMPLE_TEXTURECUBE(probe.cubeMap, sampler_Linear_Repeat, reflectDir);
      return DecodeHDREnvironment(envCol, probe.hdrDecodeValues);
  }
  
  // 混合多個探針
  float3 BlendMultipleProbes(ReflectionProbeData probes[4], float3 worldPos, float3 reflectDir) {
      float totalWeight = 0.0;
      float3 blendedColor = float3(0, 0, 0);
  
      // 計算各探針權(quán)重并累加
      for (int i = 0; i < 4; i++) {
          float weight = CalculateProbeWeight(worldPos, probes[i]);
          if (weight > 0) {
              float3 probeColor = SampleReflectionProbe(probes[i], reflectDir);
              blendedColor += probeColor * weight;
              totalWeight += weight;
          }
      }
  
      // 歸一化處理
      if (totalWeight > 0) {
          blendedColor /= totalWeight;
      }
  
      return blendedColor;
  }
  

實際應(yīng)用示例

假設(shè)場景中有兩個反射探針，一個在室內(nèi)，一個在室外，當(dāng)角色從室外走向室內(nèi)時：

• 室外區(qū)域：主要使用室外探針的反射
• 過渡區(qū)域：開始混合室外和室內(nèi)探針的反射
• 室內(nèi)區(qū)域：完全使用室內(nèi)探針的反射

這種混合機制通過權(quán)重插值實現(xiàn)平滑過渡，避免反射的突然變化。在實際項目中，可以通過調(diào)整探針的blendDistance屬性來控制混合區(qū)域的寬度。

性能優(yōu)化

• ?探針布局?：在反射變化明顯的區(qū)域(如隧道入口、房間轉(zhuǎn)角)放置探針
• ?混合距離?：合理設(shè)置混合距離，避免過大導(dǎo)致不必要的計算
• ?探針類型?：靜態(tài)區(qū)域使用烘焙探針，動態(tài)區(qū)域使用實時探針
• ?分辨率控制?：根據(jù)區(qū)域重要性調(diào)整探針的分辨率

通過理解這些原理和實現(xiàn)方式，開發(fā)者可以更有效地利用反射探針提升場景的視覺質(zhì)量，同時保持性能在可接受范圍內(nèi)

反射探針技術(shù)對比

技術(shù)	優(yōu)點	缺點	適用場景
屏幕空間反射(SSR)	實時捕捉所有對象	高資源消耗	高質(zhì)量實時反射需求
實時反射探針	局部精確反射	中高資源消耗	動態(tài)物體關(guān)鍵區(qū)域
烘焙反射探針	低資源消耗	僅捕捉靜態(tài)對象	靜態(tài)場景
天空反射	全局基礎(chǔ)反射	缺乏局部細節(jié)	開放空間背景

在URP中，反射探針是唯一支持的反射技術(shù)，而HDRP支持更豐富的反射技術(shù)組合。開發(fā)者需要根據(jù)項目需求、目標硬件和場景復(fù)雜度選擇合適的反射方案組合。

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【從UnityURP開始探索游戲渲染】專欄-直達
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