【光照】UnityURP中的[HDR贴图]

news/2025/10/15 9:29:03/文章来源:https://www.cnblogs.com/SmalBox/p/19142595

【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

HDR贴图的概念与特性

HDR(高动态范围)贴图是Unity URP中用于存储超出标准0-1范围光照信息的特殊纹理格式。与普通LDR(低动态范围)贴图相比，HDR贴图能够存储更广范围的亮度值，通常使用16位或32位浮点精度而非8位整数精度。

HDR贴图主要分为两类：

‌HDR环境贴图‌：用于天空盒和环境光照，通常采用.hdr或.exr格式
‌HDR光照贴图‌：用于烘焙光照信息，存储间接光照数据

HDR贴图解决的问题

‌亮度范围限制‌：

传统LDR贴图只能表示0-1范围的亮度值，无法准确表现真实世界的光照强度(如阳光直射可能达到100,000尼特)。

‌细节丢失‌：

LDR在高亮区域会产生过曝，丢失细节；在暗部则会产生噪点和色带。

‌光照计算精度‌：

HDR贴图提供更高精度的光照数据，使后期处理(如Bloom、色调映射)效果更自然。

URP中HDR贴图的具体使用

导入HDR环境贴图

csharp
// 通过代码加载HDR贴图
public class HDRLoader : MonoBehaviour {public Texture2D hdrTexture;void Start() {
// 设置HDR贴图为天空盒RenderSettings.skybox.SetTexture("_MainTex", hdrTexture);}
}

配置HDR天空盒

下载HDR贴图(推荐HDRI Hub等资源网站)
导入Unity项目，确保纹理导入设置中"Texture Shape"设为Cube
创建材质，选择Shader > Skybox > Cubemap
将HDR贴图拖入材质
在Lighting窗口中将材质指定为天空盒

烘焙HDR光照贴图

确保场景物体：
- 具有Mesh Renderer组件
- 标记为Contribute GI
- 启用了Generate Lightmap UVs
在Lighting窗口调整Lightmap Resolution和Scale In Lightmap参数
关闭自动烘焙，手动执行烘焙以获得最佳效果

HDR贴图的高级应用

‌Light Cookies‌：

使用HDR贴图作为2D遮罩或立方体贴图，控制光源形状和衰减
HDR贴图作为Light Cookies可以精确控制光源的形状和衰减特性，相比普通LDR贴图能够表现更广范围的亮度值，特别适合模拟高亮度光源效果如聚光灯、霓虹灯等。URP中支持两种形式的Cookies：
- ‌2D平面贴图‌：主要用于聚光灯(Spot Light)
- ‌立方体贴图‌：主要用于点光源(Point Light)

2D HDR Cookie实现过程

准备HDR贴图

csharp
// 创建HDR纹理
Texture2D hdrCookie = new Texture2D(512, 512, TextureFormat.RGBAHalf, true);
hdrCookie.wrapMode = TextureWrapMode.Clamp;
hdrCookie.filterMode = FilterMode.Bilinear;

应用到聚光灯

csharp
public class SpotLightCookieSetter : MonoBehaviour {public Texture2D hdrCookieTexture;public Light spotLight;void Start() {if(spotLight.type == LightType.Spot) {spotLight.cookie = hdrCookieTexture;spotLight.cookieSize = 10f;// 控制Cookie影响范围}}
}

材质设置

在URP中需要确保材质使用支持HDR的Shader，如Universal Render Pipeline/Lit。

立方体HDR Cookie实现过程

创建HDR立方体贴图

csharp
// 通过代码生成HDR立方体贴图
public Cubemap CreateHDRCubemap(int size) {Cubemap hdrCubemap = new Cubemap(size, TextureFormat.RGBAHalf, true);
// 填充各面数据...return hdrCubemap;
}

应用到点光源

csharp
public class PointLightCookieSetter : MonoBehaviour {public Cubemap hdrCubemap;public Light pointLight;void Start() {if(pointLight.type == LightType.Point) {pointLight.cookie = hdrCubemap;}}
}

完整示例：HDR Cookie光照场景

HDRCookieDemo.cs

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering.Universal;public class HDRCookieDemo : MonoBehaviour {public Texture2D spotCookie;public Cubemap pointCookie;public Light spotLight;public Light pointLight;void Start() {// 设置聚光灯CookiespotLight.type = LightType.Spot;spotLight.cookie = spotCookie;spotLight.cookieSize = 8f;// 设置点光源CookiepointLight.type = LightType.Point;pointLight.cookie = pointCookie;// 确保使用HDRspotLight.useColorTemperature = true;pointLight.useColorTemperature = true;}
}

关键参数调整

‌亮度控制‌：HDR Cookie的亮度值可以超过1.0，实现超亮光源效果
‌衰减调节‌：通过Cookie的边缘渐变控制光源衰减
‌色彩范围‌：HDR支持更广的色域表现

性能优化建议

合理控制HDR Cookie分辨率(通常512x512足够)
对远处光源使用较低分辨率Cookie
考虑使用压缩的HDR格式(如BC6H)减少内存占用
动态加载和卸载HDR Cookie资源

‌反射探针‌：

生成HDR立方体贴图用于高质量反射
HDR反射探针通过捕获场景环境生成高动态范围立方体贴图，为物体提供更真实的反射效果。相比传统LDR反射贴图，HDR立方体贴图能够存储更广范围的亮度值(0-65504)，保留亮部和暗部细节，特别适合表现金属、玻璃等高反射材质。

创建并配置反射探针

csharp
// 创建反射探针并设置HDR属性
GameObject probeObj = new GameObject("HDR_ReflectionProbe");
ReflectionProbe probe = probeObj.AddComponent<ReflectionProbe>();
probe.mode = ReflectionProbeMode.Realtime;
probe.hdr = true;// 启用HDR
probe.resolution = 512;// 分辨率
probe.shadowDistance = 50f;// 阴影距离
probe.cullingMask = LayerMask.GetMask("Default");// 渲染层
probe.boxProjection = true;// 启用盒投影

烘焙HDR立方体贴图

csharp
// 手动触发烘焙
IEnumerator BakeHDRProbe(ReflectionProbe probe) {probe.RenderProbe();while(probe.IsFinishedRendering(probe.GetInstanceID()) == false) {yield return null;}Debug.Log("HDR Cubemap烘焙完成");
}

在Shader中采样HDR反射贴图

glsl
// URP Shader中采样HDR反射探针
half3 SampleHDRReflection(float3 worldPos, float3 worldNormal) {float3 reflectDir = reflect(-_WorldSpaceCameraPos.xyz, worldNormal);half4 encodedCubemap = SAMPLE_TEXTURECUBE(unity_SpecCube0, samplerunity_SpecCube0, reflectDir);half3 decodedColor = DecodeHDREnvironment(encodedCubemap, unity_SpecCube0_HDR);return decodedColor;
}

完整示例

HDRReflectionDemo.cs

using UnityEngine;
using UnityEngine.Rendering.Universal;public class HDRReflectionDemo : MonoBehaviour {public Material reflectiveMaterial;public Light directionalLight;void Start() {// 1. 创建HDR反射探针var probeObj = new GameObject("HDR_Probe");var probe = probeObj.AddComponent<ReflectionProbe>();probe.size = new Vector3(20, 20, 20);probe.hdr = true;probe.resolution = 1024;// 2. 设置反射材质参数reflectiveMaterial.SetFloat("_Metallic", 1.0f);reflectiveMaterial.SetFloat("_Smoothness", 0.95f);// 3. 动态更新反射探针StartCoroutine(UpdateProbe(probe));}IEnumerator UpdateProbe(ReflectionProbe probe) {while(true) {probe.RenderProbe();while(!probe.IsFinishedRendering(probe.GetInstanceID())) {yield return null;}yield return new WaitForSeconds(1f); // 每秒更新一次}}
}

关键参数优化建议

‌分辨率选择‌：根据目标平台性能选择256-2048分辨率，移动端建议512
‌更新频率‌：实时探针可选择"Via Scripting"模式按需更新
‌盒投影‌：室内场景务必启用Box Projection实现距离相关反射
‌混合距离‌：多个探针间设置Blend Distance实现平滑过渡
‌HDR解码‌：确保Shader中正确使用DecodeHDREnvironment函数处理HDR数据

性能优化

对静态物体使用Baked模式探针，动态物体使用Realtime模式
通过Importance属性控制多个探针的混合权重
使用Time Slicing分散探针更新负载
合理设置Culling Mask避免渲染不必要对象
移动平台可降低HDR精度至R11G11B10格式

‌全局光照‌：

HDR贴图提供更精确的间接光照计算基础
准备HDR环境贴图

首先需要获取HDR环境贴图（.hdr或.exr格式），推荐从HDRI Hub等资源网站下载高质量的HDR天空盒贴图。导入Unity后需将纹理类型设置为"Cube"并启用HDR选项：
```
csharp
// 通过代码验证HDR贴图设置
void CheckHDREnvironment(Texture2D hdrTexture) {if(hdrTexture.format != TextureFormat.RGBAHalf) {Debug.LogError("请使用HDR格式贴图(RGBAHalf)");}
}
```

配置HDR全局光照

在URP渲染管线中设置HDR环境光：

csharp
public class HDRGlobalIllumination : MonoBehaviour {public Cubemap hdrCubemap;public Material skyboxMaterial;void Start() {
// 设置HDR天空盒RenderSettings.skybox = skyboxMaterial;skyboxMaterial.SetTexture("_Tex", hdrCubemap);// 启用HDR全局光照RenderSettings.ambientMode = AmbientMode.Skybox;DynamicGI.UpdateEnvironment();}
}

烘焙HDR光照贴图

确保场景静态物体：
- 具有Mesh Renderer组件
- 标记为Contribute GI
- 启用了Generate Lightmap UVs

在Lighting窗口设置：

csharp
Lightmapping.lightingSettings.lightmapResolution = 40;// 每单位分辨率
Lightmapping.lightingSettings.lightmapper = Lightmapper.ProgressiveGPU;
Lightmapping.lightingSettings.filteringMode = LightmapFiltering.Advanced;

执行烘焙：

csharp
Lightmapping.BakeAsync();// 异步烘焙避免卡顿

材质Shader适配

在URP Lit Shader中增强HDR间接光采样：

glsl
// 在URP Shader中增加HDR间接光处理
half3 SampleHDRIndirectLight(float3 worldPos, float3 normal) {half3 indirectDiffuse = SampleSH9(normal); // 球谐光照half4 encodedCubemap = SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(unity_SpecCube0, samplerunity_SpecCube0, reflect(-worldPos, normal), 0);half3 decodedColor = DecodeHDREnvironment(encodedCubemap, unity_SpecCube0_HDR);return indirectDiffuse * 0.5 + decodedColor * 0.5; // 混合光照
}

实时更新策略

对于动态物体，结合光照探针和反射探针：

csharp
public class DynamicHDRGI : MonoBehaviour {public ReflectionProbe hdrProbe;public LightProbeGroup lightProbes;void Update() {
// 每2秒更新一次探针
if(Time.frameCount % 120 == 0) {hdrProbe.RenderProbe();LightProbes.Tetrahedralize();}}
}