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UE4 默认光照材质：GBuffer 参数与 StandardShading

March 25, 2025About 2 minUnreal EngineGraphicPBR

UE4 默认光照材质：GBuffer 参数与 StandardShading

UE4 里实现了好几种着色模型：default lit、subsurface、clearcoat、hair、cloth、eye 等，其中 default lit 用得最多。这篇拆一下 default lit 的 GBuffer 参数怎么从材质输入换算出来，以及 StandardShading 那段核心 HLSL 到底在算什么。

四个主参数与 GBuffer 换算

default lit 用两个 lobe：一个 diffuse、一个 specular，两者的贡献相加。对外暴露四个主参数：

  • Base Color
  • Metallic
  • Specular
  • Roughness

Base Color、Metallic、Roughness 都很直观。唯一要留意的是 Specular——它是一个标量，用来控制非金属表面的高光强度（金属的高光由 Base Color 决定）。

从这四个参数换算到 GBuffer 的 DiffuseColor 和 SpecularColor：

GBuffer.DiffuseColor  = BaseColor - BaseColor * Metallic;
GBuffer.SpecularColor = lerp(0.08 * Specular.xxx, BaseColor, Metallic.xxx);

两行浓缩了金属工作流的本质：

  • 金属度拉高时漫反射归零：BaseColor - BaseColor * Metallic，Metallic=1 时 DiffuseColor 变 0——金属没有漫反射分量。
  • 高光颜色在「绝缘体高光」和「基色」之间按金属度插值：非金属（Metallic=0）时高光是 0.08 * Specular 的无色高光，那个 0.08 就是常见绝缘体约 4% 反射率的换算；金属（Metallic=1）时高光被 Base Color 染色。

StandardShading

核心着色函数：

float3 StandardShading(float3 DiffuseColor, float3 SpecularColor,
                       float3 LobeRoughness, float3 LobeEnergy,
                       float3 L, float3 V, half3 N)
{
    float NoL = dot(N, L);
    float NoV = dot(N, V);
    float LoV = dot(L, V);
    float InvLenH = rsqrt(2 + 2 * LoV);
    float NoH = saturate((NoL + NoV) * InvLenH);
    float VoH = saturate(InvLenH + InvLenH * LoV);
    NoL = saturate(NoL);
    NoV = saturate(abs(NoV) + 1e-5);

    // Generalized microfacet specular
    float  D   = D_GGX(LobeRoughness[1], NoH) * LobeEnergy[1];
    float  Vis = Vis_SmithJointApprox(LobeRoughness[1], NoV, NoL);
    float3 F   = F_Schlick(SpecularColor, VoH);

    float3 Diffuse = Diffuse_Lambert(DiffuseColor);

    return Diffuse * LobeEnergy[2] + (D * Vis) * F;
}

几个实现细节：

  • 半程向量的长度用 rsqrt(2 + 2*LoV) 算，避免显式归一化。|L+V|² = 2 + 2·(L·V)，所以 InvLenH = 1/|L+V|，NoH、VoH 都用它凑出来，省了一次 normalize。
  • 微表面高光是 D·Vis·F 三项：D_GGX 是法线分布项（GGX/Trowbridge-Reitz），Vis_SmithJointApprox 是几何遮蔽项（已经把 Cook-Torrance 分母里的 1/(4·NoL·NoV) 吸收进去了），F_Schlick 是菲涅尔项。这也是为什么函数里看不到那个 1/(4·NoL·NoV)——它被 Vis 项约掉了，照抄公式时别再乘一遍。
  • NoV = abs(NoV) + 1e-5：加个小 epsilon 防止除零 / 掠射角数值爆炸。
  • LobeEnergy 用来做能量补偿：高光乘 LobeEnergy[1]，漫反射乘 LobeEnergy[2]。

Unity 的 standard 材质基本是同一套 metallic 工作流，思路一致，不再重复。

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