【光照】UnityURP中的[HDR贴图]
【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Cookie
spotLight.type = LightType.Spot;
spotLight.cookie = spotCookie;
spotLight.cookieSize = 8f;
// 设置点光源Cookie
pointLight.type = LightType.Point;
pointLight.cookie = pointCookie;
// 确保使用HDR
spotLight.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();
}
}
}
性能优化
[*]静态物体使用烘焙光照贴图，动态物体使用HDR光照探针
[*]根据距离分级使用不同分辨率的HDR贴图（近处1024，远处256）
[*]使用BC6H压缩格式减少HDR贴图内存占用
[*]通过脚本控制探针更新频率避免性能峰值
性能优化建议
[*]合理控制HDR贴图分辨率，平衡质量与性能
[*]移动平台考虑使用压缩的HDR格式(如ASTC HDR)
[*]对远处或小物体使用较低分辨率的HDR光照贴图
[*]动态加载和卸载HDR贴图以管理内存
HDR贴图是URP实现高质量渲染的重要工具，正确使用可以显著提升场景的真实感和视觉冲击力
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