【光照】Unity大量[反射探针]采样时如何混合效果？

转载于 2025-10-06 11:30:06 发布 · 35 阅读

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【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

反射探针介绍与历史发展

反射探针(Reflection Probe)是Unity引擎中用于模拟环境反射的核心技术，它通过预烘焙或实时捕获场景的立方体贴图(CubeMap)来实现物体表面的环境反射效果。传统游戏使用单一的反射贴图技术，假定所有反射对象都能看到相同的环境，这在开放空间有效，但在复杂场景(如隧道、室内)会产生不真实的反射效果。

Unity通过引入反射探针改进了这一技术，允许在场景关键点采样视觉环境，当反射对象靠近探针时使用该探针的立方体贴图，多个探针之间还能进行插值实现反射的平滑过渡。这种技术在保持视觉效果的同时将处理开销控制在可接受水平。

反射探针在URP中的应用

在Unity通用渲染管线(URP)中，反射探针节点(Reflection Probe Node)是Shader Graph中用于采样反射探针的基础工具。其主要应用场景包括：

‌室内场景‌：在房间关键位置放置探针，模拟天花板、墙壁对家具的反射
‌车辆表面‌：在隧道入口、开放空间等反射变化明显的区域放置探针
‌镜面效果‌：通过高精度反射探针制作镜子等高度反射表面
‌金属物体‌：为金属材质提供环境反射，增强真实感

URP中的反射探针通过以下Shader代码采样：

/* by 01022.hk - online tools website : 01022.hk/zh/formatruby.html */
hlsl
half4 envCol = SAMPLE_TEXTURECUBE(unity_SpecCube0, samplerunity_SpecCube0, reflectDir);
half3 envHDRCol = DecodeHDREnvironment(envCol, unity_SpecCube0_HDR);

其中reflectDir是通过表面法线和视角方向计算出的反射方向。

反射探针优化策略

‌类型选择‌：
- 烘焙探针：适用于静态场景，性能开销最低
- 实时探针：适用于动态物体，资源消耗中等至高
- 混合探针：结合烘焙和实时特性，平衡效果与性能
‌分辨率控制‌：根据物体重要性调整探针的分辨率
‌LOD参数‌：通过调整模糊程度平衡画质与性能
‌探针放置‌：
- 在反射变化明显的区域(如隧道入口、房间转角)放置探针
- 避免过度密集的探针布局
‌代理体积‌：使用反射代理体积修正反射探针的视差问题，提升非捕捉点的反射精度

多探针混合原理与示例

当物体位于多个反射探针影响范围内时，URP/HDRP会按照以下层次结构混合反射效果：

‌混合逻辑‌：
- 屏幕空间反射(SSR)优先覆盖可见像素
- 反射探针按权重比例混合重叠区域效果
- 天空反射作为全局基础反射源
‌评估顺序‌：
- 屏幕空间反射(SSR)
- 实时反射探针(按权重排序)
- 烘焙反射探针(按权重排序)
- 天空反射

‌示例场景‌：假设一个汽车从室外驶入隧道：

室外区域：主要使用天空反射和开放空间的反射探针
隧道入口：开始混合室外探针和隧道内部探针的反射
隧道内部：完全使用隧道内部的反射探针立方体贴图

这种混合机制通过插值实现平滑过渡，避免反射的突然变化。在Shader中，多个探针的混合通常通过三线性插值实现，采样周围8个最近的探针数据。

多反射探针混合数学原理

在Unity URP中，多反射探针混合采用三线性插值算法，基于物体位置与探针的距离计算权重。混合权重计算公式遵循距离反比原则，通常使用平滑过渡函数实现自然过渡效果。

‌核心数学公式‌：

权重计算：weight = 1 - (distance / blendDistance)，其中distance是物体到探针中心的距离，blendDistance是探针的混合范围
三线性插值：通过选取插值点周围8个相邻数据点，沿x、y、z轴进行线性插值加权求和得出目标点数值
最终混合颜色：finalColor = Σ(probeColor[i] * weight[i]) / Σweight[i]，其中i遍历所有影响当前物体的探针

当物体位于多个反射探针影响范围内时，URP会按照以下层次结构混合反射效果：

屏幕空间反射(SSR)优先覆盖可见像素
反射探针按权重比例混合重叠区域效果
天空反射作为全局基础反射源

URP中的实现类与源码分析

URP中反射探针混合的核心实现涉及以下关键类：

‌VisibleReflectionProbe‌：存储可见反射探针的打包信息，包括混合距离、包围盒、HDR解码数据等

/* by 01022.hk - online tools website : 01022.hk/zh/formatruby.html */
csharp
struct VisibleReflectionProbe {
    float blendDistance;// 探针混合距离
    Bounds bounds;// 探针包围盒
    Vector3 center;// 探针投影中心// 其他关键属性...
}

‌ReflectionProbeBlendInfo‌：包含混合探针所需的信息，包括探针引用和权重值(0.0到1.0)

csharp
struct ReflectionProbeBlendInfo {
    ReflectionProbe probe;// 混合中使用的反射探针float weight;// 插值使用的权重
}

‌UniversalRenderPipeline‌：URP主类，负责管理反射探针的更新和混合流程

核心混合逻辑在URP渲染管线中实现，主要步骤包括：

通过ScriptableRenderContext.Cull获取可见反射探针列表
根据物体位置计算与各探针的距离和权重
对权重最高的几个探针进行三线性插值混合
将混合结果传递给着色器使用

手动实现多探针混合示例

以下是手动实现多探针混合的HLSL代码示例：

代码功能说明：

定义了反射探针数据结构，包含位置、混合距离等关键属性
实现了基于距离的权重计算函数
提供了单个探针采样和HDR解码功能
实现了多探针加权混合算法，支持最多4个探针的混合

MultiProbeBlending.hlsl

// 定义探针数据结构
struct ReflectionProbeData {
    float3 position;
    float blendDistance;
    TextureCube cubeMap;
    float4 hdrDecodeValues;
};

// 计算探针权重
float CalculateProbeWeight(float3 worldPos, ReflectionProbeData probe) {
    float distance = length(worldPos - probe.position);
    return saturate(1.0 - distance / probe.blendDistance);
}

// 采样单个探针
float3 SampleReflectionProbe(ReflectionProbeData probe, float3 reflectDir) {
    float4 envCol = SAMPLE_TEXTURECUBE(probe.cubeMap, sampler_Linear_Repeat, reflectDir);
    return DecodeHDREnvironment(envCol, probe.hdrDecodeValues);
}

// 混合多个探针
float3 BlendMultipleProbes(ReflectionProbeData probes[4], float3 worldPos, float3 reflectDir) {
    float totalWeight = 0.0;
    float3 blendedColor = float3(0, 0, 0);

    // 计算各探针权重并累加
    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;
        }
    }

    // 归一化处理
    if (totalWeight > 0) {
        blendedColor /= totalWeight;
    }

    return blendedColor;
}

实际应用示例

假设场景中有两个反射探针，一个在室内，一个在室外，当角色从室外走向室内时：

室外区域：主要使用室外探针的反射
过渡区域：开始混合室外和室内探针的反射
室内区域：完全使用室内探针的反射

这种混合机制通过权重插值实现平滑过渡，避免反射的突然变化。在实际项目中，可以通过调整探针的blendDistance属性来控制混合区域的宽度。

性能优化

‌探针布局‌：在反射变化明显的区域(如隧道入口、房间转角)放置探针
‌混合距离‌：合理设置混合距离，避免过大导致不必要的计算
‌探针类型‌：静态区域使用烘焙探针，动态区域使用实时探针
‌分辨率控制‌：根据区域重要性调整探针的分辨率

通过理解这些原理和实现方式，开发者可以更有效地利用反射探针提升场景的视觉质量，同时保持性能在可接受范围内

反射探针技术对比

技术	优点	缺点	适用场景
屏幕空间反射(SSR)	实时捕捉所有对象	高资源消耗	高质量实时反射需求
实时反射探针	局部精确反射	中高资源消耗	动态物体关键区域
烘焙反射探针	低资源消耗	仅捕捉静态对象	静态场景
天空反射	全局基础反射	缺乏局部细节	开放空间背景