Roughness 高光分布

先把题目说成人话

手电照在抛光勺面上是一个小而集中的亮点，照到磨砂金属上则摊成一大片柔亮；再把喷漆塑料与裸金属并排看，前者保留有颜色的主体明暗，后者的颜色更多出现在反射里。现实要解决的不是两个“亮度开关”，而是一个旋钮改亮斑的形状，另一个旋钮改颜色和能量走哪条路。

控制亮斑摊宽程度的输入叫粗糙度（Roughness），控制金属与非金属路径的输入叫金属度（Metallic），材质颜色输入叫基础颜色（Base Color）。把表面看成许多细小镜面并统计其朝向的模型叫微表面模型（Microfacet Model），后文使用的一种分布叫格杰克斯分布（GGX）；角度相关的反射比例叫菲涅耳项（Fresnel）。

这是虚构教学故事，不是个人项目经历。

场景：先让问题变得看得见

桌上有四个同形测试球：

• 非金属、低 Roughness：小而清晰的无色高光，仍有明显漫反射底色。
• 非金属、高 Roughness：高光铺宽、峰值降低，底色仍走漫反射。
• 金属、低 Roughness：清晰且被 Base Color 染色的镜面反射，几乎没有漫反射。
• 金属、高 Roughness：有色反射铺宽、变钝，仍不是“彩色漫反射”。

这个四格画面先建立关系，不把“粗糙度越高越暗”当作固定规律。粗糙度主要重新分布镜面能量；最终像素亮度还取决于环境、视角、遮蔽和实现。

（右脑）画面：窗边摆着三颗球：一颗光滑的黑塑料球、一颗磨砂黑塑料球和一颗光滑铜球。转动第一颗时，窗户的亮影又小又清楚；转动磨砂球，亮影摊开成柔和的一片；铜球上的亮影仍然清楚，却染上了铜的颜色。亮斑有多宽，和亮斑带什么颜色，是眼睛能分开看到的两件事。

（左脑）对表：核验对象是线性 Base Color、Metallic、工作流 Roughness、GGX 参数 $\alpha$ 以及同一空间内归一化的 $N,V,L,H$。高光变宽和峰值变化是观察事实，“Roughness 直接乘亮度”是假设；证据要来自固定 HDRI、曝光与视角下的单变量扫描，金属有色反射也不能证明额外增加了一份能量。点积无量纲且需限制范围，perceptual roughness 是否平方必须服从管线约定。小镜子类比解释分布，类比不等于 D/G/F 已正确实现。

小明：先形成一个完整猜测

小明把 Roughness 当成高光强度滑杆，把 Metallic 当成镜面开关。这个直觉能描述部分画面，却解释不了两件事：粗糙高光为何面积变大，以及金属高光为何会继承 Base Color。

如果只把粗糙度乘到最终高光颜色上，高光会原地变暗，却不会正确展宽；如果只在 Metallic 为 1 时“额外加高光”，还会违反能量分配。

小红：把猜测放回现实检查

小红先固定 Metallic，只提高 Roughness。法线分布从集中变得分散，高光峰降低、波瓣变宽；几何遮蔽也随角度改变。然后固定 Roughness，只把 Metallic 从 0 移到 1：电介质的近似 $F_0$ 逐渐过渡到 Base Color，漫反射同时被压到零。

她检查了变量前提：所有方向向量归一化，点积限制在 0–1；Base Color 在着色计算时是线性颜色；工作流中的 perceptual roughness 是否要平方成 GGX 的 $\alpha$，必须与项目管线约定一致。

我：用检查结果修正模型

我保留两张贴图的独立职责。Roughness 进入 GGX 的法线分布 D 和几何遮蔽 G；Metallic 通过 $F_0$ 进入 Fresnel F，并同时控制漫反射剩余量。贴图打包可以减少采样，但不能改变通道语义。

材质验收使用固定 HDRI、灰球和多角度旋转：不能只在一张正面截图判断。金属边缘若混入污渍，可用连续 Metallic 做纹理过滤与材质混合；纯净均质区域则通常更接近 0 或 1。

（右脑）画面修正：小明把 Roughness 当成单纯调暗高光的旋钮，又在 Metallic 打开时额外叠了一层亮光。小红固定窗光和观察位置以后，看到 Roughness 主要让同一份反射铺得更开，而 Metallic 改变了底色怎样进入反射、漫反射还剩多少。粗糙金属仍会留下铺开的有色反射，粗糙塑料也仍能看见自己的底色；不能把两只旋钮都理解成“更亮或更暗”。

（左脑）严格对表：着色数据按序列处理：把 Base Color 解码到线性空间；将 Roughness 映射为项目约定的 $\alpha$；由 $N,V,L$ 构造并归一化 $H$；计算 GGX 的 D、Smith G；以 $F_0=lerp(0.04,BaseColor,Metallic)$ 计算 Fresnel F；令漫反射乘 $(1-Metallic)(1-F)$，再与镜面共同乘光照项。验收时分别只扫一个通道，检查波瓣宽度、反射颜色和漫反射份额，固定 HDRI 多角度观察且无 NaN/Inf 或能量重复相加。

老师解惑

下面是省略多光源、IBL、阴影和管线封装的教学片段，只展示 GGX 的 D/G/F 与能量路径：

static const float PI = 3.14159265;

float3 FresnelSchlick(float VoH, float3 F0)
{
    return F0 + (1.0 - F0) * pow(1.0 - VoH, 5.0);
}

float DistributionGGX(float NoH, float alpha)
{
    float a2 = alpha * alpha;
    float d  = NoH * NoH * (a2 - 1.0) + 1.0;
    return a2 / max(PI * d * d, 1e-5);
}

float GeometrySchlickGGX(float NoX, float roughness)
{
    float k = ((roughness + 1.0) * (roughness + 1.0)) / 8.0;
    return NoX / max(NoX * (1.0 - k) + k, 1e-5);
}

float3 EvaluateBRDF(
    float3 baseColor, float metallic, float roughness,
    float3 N, float3 V, float3 L)
{
    float3 halfVector = V + L;
    float halfLengthSq = dot(halfVector, halfVector);
    float3 H = halfLengthSq > 1e-8
        ? halfVector * rsqrt(halfLengthSq)
        : N;
    float NoL = saturate(dot(N, L));
    float NoV = saturate(dot(N, V));
    float NoH = saturate(dot(N, H));
    float VoH = saturate(dot(V, H));

    float alpha = max(roughness * roughness, 0.002);
    float3 F0 = lerp(float3(0.04, 0.04, 0.04), baseColor, metallic);
    float3 F = FresnelSchlick(VoH, F0);
    float  D = DistributionGGX(NoH, alpha);
    float  G = GeometrySchlickGGX(NoL, roughness)
             * GeometrySchlickGGX(NoV, roughness);

    float3 specular = D * G * F / max(4.0 * NoL * NoV, 1e-5);
    float3 diffuse  = (1.0 - metallic) * (1.0 - F)
                    * baseColor / PI;
    return (diffuse + specular) * NoL;
}

• D：微面法线朝向半程向量的分布；Roughness 主要在这里改变高光宽度。
• G：光线和视线被微面遮蔽的比例。
• F：Fresnel；Metallic 通过 $F_0$ 决定镜面反射颜色。
• 能量分配：金属度升高时，漫反射衰减，不能在保留完整漫反射的同时再叠一份金属高光。
• 半程向量边界：当 $V$ 与 $L$ 几乎反向时，直接归一化 $V+L$ 会退化；教学代码先检查长度，再选择不会产生无效数值的回退方向。

工具分工

• PBR / BRDF Lab：固定灯光与视角，分别扫描 Roughness 和 Metallic。
• Unity Material Inspector：核对 Smoothness 与 Roughness 是否取反、贴图通道和 sRGB 设置。
• Frame Debugger / RenderDoc：检查材质关键字、采样值和最终 D/G/F 中间结果。

记忆钩子

Roughness 塑造高光波瓣，Metallic 改写颜色与能量去向：D/G 看粗糙，F 和漫反射分账看金属。