本篇文章实现了 PBR 材质的计算和渲染。

shaderlab 代码参考：PBR

最终效果预览：

其中包含4个文件：SH.shader、PrefilterEnvMap&LUT.shader、PBR BRDF.shader、PBRRunner.cs

实现细节

这次实现 PBR 材质时，我没有直接依赖 Unity 内置的 Lit Shader 或 Reflection Probe，而是把整个流程拆成了几块：直接光照的 Cook-Torrance BRDF、漫反射环境光的球谐函数、镜面反射环境光的预过滤贴图，以及运行时负责生成和绑定这些纹理的 C# 脚本。这样做的好处是每一步都更透明，也能更清楚地理解 PBR 里“物理正确”到底来自哪里。

整个实现主要由四个文件组成：
1、SH.shader负责生成球谐系数；
2、PrefilterEnvMap&LUT.shader  负责生成预过滤环境图和 BRDF LUT；
3、PBR BRDF.shader负责最终材质渲染；
4、PBRRunner.cs 负责把这些离屏计算串起来。

第一步是实现直接光照。主 Shader 中使用了标准的 Cook-Torrance 微表面模型：法线分布函数使用 GGX，几何遮蔽项使用 Smith GGX，菲涅尔项使用 Schlick 近似。材质参数上，albedo 决定基础颜色，metallic 控制非金属和金属之间的过渡，roughness 控制高光扩散程度。F0 的计算也遵循常见做法：非金属默认约为 0.04，金属则逐渐过渡到自身的 albedo。最终直接光由漫反射项和镜面项相加，再乘以主光颜色、NdotL 和 URP 主光阴影衰减。

第二步是处理漫反射环境光。漫反射由于经过 Lambert 卷积后变化比较平滑，非常适合用低阶球谐函数表示。SH.shader 中对环境 Cubemap 做球面采样，使用黄金角分布生成较均匀的方向，然后累加 9 个二阶球谐基函数系数。计算完后，再把 RGB 三个通道分别转换成 4x4 矩阵，存进一张 4x4 的 ARGBFloat RenderTexture。运行时只需要用法线构造 float4(normal, 1)，分别和 RGB 三个矩阵做二次型计算，就能快速得到该法线方向上的 diffuse irradiance。

第三步是处理镜面环境光。镜面 IBL 比漫反射更复杂，因为它和粗糙度强相关。粗糙度越低，反射越接近清晰镜面；粗糙度越高，反射越模糊。所以 PrefilterEnvMap&LUT.shader 使用 Hammersley 序列和 GGX importance sampling，对环境图进行不同 roughness 下的预过滤。结果没有存在真正的 Cubemap mip 链里，而是打包进一张 2D 贴图：下半部分保存环境贴图和不同粗糙度层级，越靠右 tile 越小，分别对应更高 roughness。

同一个 Shader 还生成 BRDF LUT。BRDF LUT 是 split-sum approximation 的另一半，它把与视角 NdotV 和 roughness 相关的积分预先算好，存在贴图上半部分左侧区域。运行时镜面 IBL 只需要两步：先根据反射方向采样预过滤环境图，再用 NdotV 和 roughness 采样 BRDF LUT，最后组合为 prefilteredColor * (F0 * brdf.x + brdf.y)。这样就避免了每个像素都做大量 Monte Carlo 积分。

第四步是把这些数据接入最终 PBR Shader。PBR BRDF.shader 中最终颜色由三部分组成：主光直接光照、SH 提供的漫反射 IBL、预过滤贴图和 BRDF LUT 提供的镜面 IBL。为了让结果显示更接近常规屏幕输出，最后还做了简单的 Reinhard tone mapping 和 gamma correction。

第五步 PBRRunner.cs 负责运行时调度。它创建 SH 用的 4x4 RenderTexture，以及预过滤环境图用的可配置分辨率 RenderTexture，格式都是 ARGBFloat，保证 HDR 数据不会被普通颜色格式截断。生成时通过 Graphics.Blit 分别调用 SH Shader 和 Prefilter Shader，并用 read/write 双缓冲交换结果。它还会检测 Cubemap、分辨率、采样数是否变化，避免每帧重复计算；需要时也可以通过 regenerateEveryFrame 强制刷新。

这套实现的核心思路可以概括为：运行时材质 Shader 只做必要的 BRDF 组合，把昂贵的环境积分提前烘焙到纹理中。漫反射部分用 SH 压缩低频光照，镜面部分用 GGX importance sampling 生成预过滤环境图，再用 BRDF LUT 补上视角相关项。最终，一个完整的 PBR 材质就由“直接光 + 漫反射 IBL + 镜面 IBL”拼合出来。

目前这个实现已经覆盖了 PBR 的主体结构，但也留有继续扩展的空间，例如加入法线贴图、AO 贴图、多光源支持、更完整的曝光控制，或者把预过滤结果改成真正的 Cubemap mip 链。即便如此，这个版本已经很好地展示了 PBR 材质背后的关键流程：不是简单调几个参数，而是把光照模型、材质能量守恒和环境光积分组织成一条可运行的渲染管线。