菲涅尔反射 - 清色的知识花园

什么是菲涅尔反射？#

菲涅尔反射（Fresnel Reflection）是一种真实世界中普遍存在的光学现象：当视线与表面法线的夹角越大（越掠射），反射就越强。

日常例子：

垂直俯视平静的水面 → 几乎能看穿水底，反射很弱
从水平方向看水面 → 水面像镜子一样，反射很强
玻璃窗在正面看是透明的，斜视时变成镜子

这个现象在几乎所有非金属表面都存在，是 PBR（物理渲染）的重要组成部分。

Schlick 菲涅尔近似公式#

精确的菲涅尔方程计算开销较大，游戏中通常使用 Schlick 近似：

F(v, n) = F_0 + (1 - F_0)(1 - v \cdot n)^5

其中：

$F_0$ ：法线入射时的反射率（基础反射系数），不同材质取值不同
$v$ ：视角方向（单位向量）
$n$ ：表面法线（单位向量）
$v \cdot n$ ：视线与法线的夹角余弦值，越小表示越掠射

当 $v \cdot n = 0$ （完全掠射）时， $F = 1$ （完全反射）；当 $v \cdot n = 1$ （正视）时， $F = F_0$ （最小反射）。

HLSL 实现#

1
// Schlick 菲涅尔近似
2
half fresnel = _FresnelScale + (1 - _FresnelScale) * pow(1 - dot(worldNormal, worldViewDir), 5);
3

4
// 根据菲涅尔值在漫反射和环境反射之间插值
5
half3 color = lerp(diffuse, reflection, saturate(fresnel));

其中 _FresnelScale 对应公式中的 $F_0$ ，控制正视时的基础反射强度。

在 Unity Shader 中的完整应用#

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Properties
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{
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    _FresnelScale("Fresnel Scale", Range(0, 1)) = 0.5
4
    _Cubemap("Reflection Cubemap", Cube) = "_Skybox" {}
5
}
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// 片元着色器
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half3 reflDir = reflect(-worldViewDir, worldNormal);
9
half3 reflection = SAMPLE_TEXTURECUBE(_Cubemap, sampler_Cubemap, reflDir).rgb;
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half fresnel = _FresnelScale + (1 - _FresnelScale) * pow(1 - dot(worldNormal, worldViewDir), 5);
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half3 finalColor = ambient + lerp(diffuse, reflection, saturate(fresnel)) * atten;

不同材质的 F₀ 参考值#

材质	F₀ 近似值
水	0.02
玻璃	0.04
塑料	0.04
金属（铁）	0.56
金属（金）	1.0

金属的菲涅尔效果较弱（反射率在各角度都很高），非金属的菲涅尔效果更明显。

什么是菲涅尔反射？#

Schlick 菲涅尔近似公式#

HLSL 实现#

在 Unity Shader 中的完整应用#

不同材质的 F₀ 参考值#

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