我們的目標：UnityStandard
我一直作Unity開發，所以環境也就選擇了Unity。目標也就是盡可能接近UnityStandard的效果，不過主要為了學習PBR，所以就只實現基本的PBR和法線。也就是使用Albedo,Matellic,Normal三個貼圖。遮蔽，自發光，反射和ImageBasedLighting這種就先不管了
PBR原理
PBR的原理務必要看Trace的這篇【PBR】基於物理渲染的基礎理論1.0版
簡單的解釋
1. 分開處理反射面的絕緣體特性和金屬特性，最后光照應該是Diffuse+Specular
2. 純金屬沒有Diffuse，非金屬主要是Diffuse，有一點反射
3. 反光部分的主要有三個東西影響：微表面的法線分布（NDF），微表面的入射和反射遮擋（Geometry Function),反射率和入射角的關系（Fresnel反射)
猜測Unity的方案
我沒去找Standard的源碼，照着WORKING WITH PHYSICALLY-BASED SHADING: A PRACTICAL APPROACH猜測一下他的方案。
Unity Metallic方式
1. Albedo:基礎色，和以前的Diffuse圖不一樣，不能畫出光的效
2. Metallic:Metallic圖的r通道，描述金屬性質。應該是描述反射率的參數，用這個參數將Diffuse部分和Specular部分分開
3. Smoothness:光滑度，Metallic圖的a通道。用來描述光滑程度（廢話），或者說，描述微表面理論中微表面法線和整體法線的一致程度（NDF)，以及微表面遮擋的程度（Geometry Function）
4. Normal：法線，沒啥說的
所以看起來差不多應該是這樣的意思：
Diffuse*(1-Metallic)+f(l,v)*Metallic
f(l,v)就是PBR的核心內容，BRDF公式：
// D(h) F(v,h) G(l,v,h) //f(l,v) = --------------------------- // 4(n·l)(n·v)
BRDF公式的選擇與說明
公式這東西誰看誰暈，所以先強推這個文章
如何看懂這些"該死的"圖形學公式
我能繼續搞下去全靠這個了。
到這里問題就很簡單了，選擇合適的公式就對了。翻找了一下SIGGRAPH的文章，全是干貨真是好地方！照着人家的干貨做了如下選擇：
1. D(h):GGX
// alpha^2 //D(m) = ----------------------------------- // pi*((n·m)^2 *(alpha^2-1)+1)^2
Q:alpha是什么
A:alpha = roughness * roughness,roughness是粗糙度，roughness= 1-smoothness
Q:m是什么？h是什么？
A:m是微表面的法線， h是入射光和反射光的半角向量，根據微表面原理，只有法線和半角向量一致的微表面參與反射，所以m和h是相等的
2. G(l,v,h):Smith-Schlick,在Smith近似下G(l,v,h) = g(l)*g(v),講道理入射和反射的遮蔽應該是相同的。
// n·v //g(v) = ----------------- // (n·v) *(1-k) +k
Q:k是什么？
A:k是Schlick公式的參數，具體的要去看Schlick的論文
Q:k應該是多少？
A:我看了幾個地方，k的選擇都不太一樣，這里我們本着找NB的抄的態度，用了UE4的 k =(a^2 +1) * (a^2 +1)/8;
3. F(v,h):UE4對Schlick的一個近似。
//Schlick //F(v,h) = F0 +(1-F0)*(1-(v·h))^5 // //UE4 approximation // //F(v,h) = F0+(1-F0)2^((-5.55473(v·h)-6.98316)*v·h)
Q:F0是什么？
A:F0，入射角0時的反射率。這個數值我用了Metallic的值，應該還有跟roughness相關的計算，誰清除求告知
然后合成一個!
// alpha^2 * (F0+(1-F0)*pow(2,(-5.55473(v·h)-6.98316)*v·h)) //f(l,v) = --------------------------------------------------------------------------- // 4*pi*((n·h)^2 *(alpha^2-1)+1)^2*((n·v) *(1-k) +k)*((n·l) *(1-k) +k)
寫Shader
這就沒啥說的了，就是把公式寫上去。
效果圖:右邊是Standard,左邊是Custom，有一點點不同，反射更強烈一點
Shader "Stein/CustomPBR" { Properties { _Matel("Matel",2D) = "white"{} _Albedo("Albedo", 2D) = "white" {} _Normal ("Normal", 2D) = "bump"{} } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 100 Pass { Name "FORWARD" Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag // make fog work #pragma multi_compile_fog #pragma multi_compile_fwdbase_fullshadows #include "UnityCG.cginc" #include "AutoLight.cginc" #define PI 3.14159265359 struct appdata { float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; float3 normal:NORMAL; float4 tangent : TANGENT; }; struct VertexOutput { float4 pos : SV_POSITION; float2 uv0 : TEXCOORD0; float4 posWorld : TEXCOORD1; float3 normalDir : TEXCOORD2; float3 tangentDir : TEXCOORD3; float3 bitangentDir : TEXCOORD4; LIGHTING_COORDS(5,6) UNITY_FOG_COORDS(7) }; uniform float4 _LightColor0; sampler2D _Albedo; float4 _Albedo_ST; sampler2D _Matel; float4 _Matel_ST; uniform sampler2D _Normal; uniform float4 _Normal_ST; VertexOutput vert (appdata v) { VertexOutput o = (VertexOutput)0; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex ); o.uv0 = v.uv; o.posWorld = mul(_Object2World, v.vertex); //世界坐標下的幾個向量值，參考ShaderForge o.normalDir = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); o.tangentDir = normalize( mul( _Object2World, float4( v.tangent.xyz, 0.0 ) ).xyz ); o.bitangentDir = normalize(cross(o.normalDir, o.tangentDir) * v.tangent.w); UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.pos); TRANSFER_VERTEX_TO_FRAGMENT(o) return o; } fixed4 frag (VertexOutput i) : SV_Target { i.normalDir = normalize(i.normalDir); float3 lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); float3 viewDirection = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWorld.xyz); //法線左邊轉換 float3x3 tangentTransform = float3x3( i.tangentDir, i.bitangentDir, i.normalDir);//法線的TBN旋轉矩陣 float4 _Normal_var = tex2D(_Normal,TRANSFORM_TEX(i.uv0, _Normal)); float3 normalLocal =_Normal_var.rgb*2-1;//之前的問題是沒有Unpack，整個坐標是偏了的，參考UnityCG.cginc float3 normalDirection = normalize(mul( normalLocal, tangentTransform )); // 最終的法線 //從matellic圖上取數據 fixed4 matelTex = tex2D(_Matel,TRANSFORM_TEX(i.uv0,_Matel)); float matellic = matelTex.r;//unity matellic 值，是一個grayscale value ，存在 r 通道 float roughness = 1-matelTex.a;//unity 用的是smoothness，在matellic map的alpha 通道，這里轉換一下 float f0 = matelTex.r;//HACK 這個就是先這樣用…… //預先計算一些常量 float3 h =normalize( lightDirection+viewDirection);//h，l和v的半角向量 float a = roughness*roughness;//alpha float a2 = a*a;//alpha^2 float NoL =saturate( dot(normalDirection,lightDirection)); float NoV =saturate(dot(normalDirection,viewDirection)); float NoH =saturate(dot(normalDirection,h)); float VoH =saturate(dot(viewDirection,h)); //light & light color float3 attenColor = LIGHT_ATTENUATION(i) * _LightColor0.xyz; // sample the _Albedo texture fixed4 albedo = tex2D(_Albedo, i.uv0); //diffuse part float3 directDiffuse =dot( normalDirection, lightDirection ) * attenColor; float3 indirectDiffuse = float3(0,0,0); indirectDiffuse += UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb; // Ambient Light float3 diffuse = (directDiffuse + indirectDiffuse) * albedo*(1-matellic); //specular part //微表面BRDF公式 // D(h) F(v,h) G(l,v,h) //f(l,v) = --------------------------- // 4(n·l)(n·v) //這個是GGX // alpha^2 //D(m) = ----------------------------------- // pi*((n·m)^2 *(alpha^2-1)+1)^2 //簡化 D(h)*PI/4 float sqrtD = rcp(NoH*NoH*(a2-1)+1); // float D = a2*sqrtD*sqrtD/rcp(PI*4); float D = a2*sqrtD*sqrtD/4;//在 direct specular時，BRDF好像要乘PI，這里就直接約去。Naty Hoffman的那個文沒太看懂 //in smith model G(l,v,h) = g(l)*g(v)，這個公式是Schlick的趨近公式，參數各有不同 // n·v //G(v) = ----------------- // (n·v) *(1-k) +k // float k = a2*sqrt(2/PI); //Schlick-Beckmann // float k = a2/2; //Schlick-GGX float k =(a2+1)*(a2+1)/8; //UE4，咱們就挑NB的抄 //簡化G(l,v,h)/(n·l)(n·v) float GV=(NoV *(1-k) +k); float GL =(NoL *(1-k) +k); //F(v,h) float f = f0 +(1-f0)*pow(2,(-5.55473*VoH-6.98316)*VoH);//參數是從UE4那里抄來的，應該是Schlick公式的趨近 fixed3 specularTerm = D*f *rcp(GV*GL); fixed3 specular = albedo*attenColor*(1/PI+ specularTerm)*NoL*matellic;//albedo/PI是BRDF公式的diffuse部分，沒有就會偏黑 fixed4 finalcolor = (fixed4)0; finalcolor.rgb =diffuse +specular; finalcolor.a = albedo.a; // apply fog UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, finalcolor); return finalcolor; } ENDCG } Pass { Name "FORWARD_DELTA" Tags { "LightMode"="ForwardAdd" } Blend One One CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag // make fog work #pragma multi_compile_fog #pragma multi_compile_fwdbase_fullshadows #include "UnityCG.cginc" #include "AutoLight.cginc" #define PI 3.14159265359 struct appdata { float4 vertex : POSITION; float2 uv : TEXCOORD0; float3 normal:NORMAL; float4 tangent : TANGENT; }; struct VertexOutput { float4 pos : SV_POSITION; float2 uv0 : TEXCOORD0; float4 posWorld : TEXCOORD1; float3 normalDir : TEXCOORD2; float3 tangentDir : TEXCOORD3; float3 bitangentDir : TEXCOORD4; LIGHTING_COORDS(5,6) UNITY_FOG_COORDS(7) }; uniform float4 _LightColor0; sampler2D _Albedo; float4 _Albedo_ST; sampler2D _Matel; float4 _Matel_ST; uniform sampler2D _Normal; uniform float4 _Normal_ST; VertexOutput vert (appdata v) { VertexOutput o = (VertexOutput)0; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex ); o.uv0 = v.uv; o.posWorld = mul(_Object2World, v.vertex); //世界坐標下的幾個向量值，參考ShaderForge o.normalDir = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); o.tangentDir = normalize( mul( _Object2World, float4( v.tangent.xyz, 0.0 ) ).xyz ); o.bitangentDir = normalize(cross(o.normalDir, o.tangentDir) * v.tangent.w); UNITY_TRANSFER_FOG(o,o.pos); TRANSFER_VERTEX_TO_FRAGMENT(o) return o; } fixed4 frag (VertexOutput i) : SV_Target { i.normalDir = normalize(i.normalDir); //light dir & light color float3 lightDirection =(float3)0; float3 attenColor = (float3)0; if(_WorldSpaceLightPos0.w==0) { lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); attenColor = LIGHT_ATTENUATION(i) * _LightColor0.xyz; } else { lightDirection =_WorldSpaceLightPos0.xyz- i.posWorld; attenColor =_LightColor0.xyz /(1+length(lightDirection)); lightDirection = normalize(lightDirection); } // float3 attenColor = LIGHT_ATTENUATION(i) * _LightColor0.xyz; float3 viewDirection = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWorld.xyz); //法線左邊轉換 float3x3 tangentTransform = float3x3( i.tangentDir, i.bitangentDir, i.normalDir);//法線的TBN旋轉矩陣 float4 _Normal_var = tex2D(_Normal,TRANSFORM_TEX(i.uv0, _Normal)); float3 normalLocal =_Normal_var.rgb*2-1;//之前的問題是沒有Unpack，整個坐標是偏了的，參考UnityCG.cginc float3 normalDirection = normalize(mul( normalLocal, tangentTransform )); // 最終的法線 //從matellic圖上取數據 fixed4 matelTex = tex2D(_Matel,TRANSFORM_TEX(i.uv0,_Matel)); float matellic = matelTex.r;//unity matellic 值，是一個grayscale value ，存在 r 通道 float roughness = 1-matelTex.a;//unity 用的是smoothness，在matellic map的alpha 通道，這里轉換一下 float f0 = matelTex.r;//HACK 這個就是先這樣用…… //預先計算一些常量 float3 h =normalize( lightDirection+viewDirection);//h，l和v的半角向量 float a = roughness*roughness;//alpha float a2 = a*a;//alpha^2 float NoL =saturate( dot(normalDirection,lightDirection)); float NoV =saturate(dot(normalDirection,viewDirection)); float NoH =saturate(dot(normalDirection,h)); float VoH =saturate(dot(viewDirection,h)); // sample the _Albedo texture fixed4 albedo = tex2D(_Albedo, i.uv0); //diffuse part float3 directDiffuse =dot( normalDirection, lightDirection ) * attenColor; float3 indirectDiffuse = float3(0,0,0); indirectDiffuse += UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb; // Ambient Light float3 diffuse = (directDiffuse + indirectDiffuse) * albedo*(1-matellic); //specular part //微表面BRDF公式 // D(h) F(v,h) G(l,v,h) //f(l,v) = --------------------------- // 4(n·l)(n·v) //這個是GGX // alpha^2 //D(m) = ----------------------------------- // pi*((n·m)^2 *(alpha^2-1)+1)^2 //簡化 D(h)*PI/4 float sqrtD = rcp(NoH*NoH*(a2-1)+1); // float D = a2*sqrtD*sqrtD/rcp(PI*4); float D = a2*sqrtD*sqrtD/4;//在 direct specular時，BRDF好像要乘PI，這里就直接約去。Naty Hoffman的那個文沒太看懂 //in smith model G(l,v,h) = g(l)*g(v)，這個公式是Schlick的趨近公式，參數各有不同 // n·v //G(v) = ----------------- // (n·v) *(1-k) +k // float k = a2*sqrt(2/PI); //Schlick-Beckmann // float k = a2/2; //Schlick-GGX float k =(a2+1)*(a2+1)/8; //UE4，咱們就挑NB的抄 //簡化G(l,v,h)/(n·l)(n·v) float GV=(NoV *(1-k) +k); float GL =(NoL *(1-k) +k); //F(v,h) float f = f0 +(1-f0)*pow(2,(-5.55473*VoH-6.98316)*VoH);//參數是從UE4那里抄來的，應該是Schlick公式的趨近 fixed3 specularTerm = D*f *rcp(GV*GL); fixed3 specular = albedo* attenColor*(1/PI+ specularTerm)*NoL*matellic;//albedo/PI是BRDF公式的diffuse部分，沒有就會偏黑 fixed4 finalcolor = (fixed4)0; finalcolor.rgb =diffuse +specular; finalcolor.a = 0; // apply fog UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord, finalcolor); return finalcolor; } ENDCG } } }