Thinking in Unity3D：基於物理着色（PBS）的材質系統

關於《Thinking in Unity3D》

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筆者在研究和使用Unity3D的過程當中，得到了一些Unity3D方面的信息，同時也感嘆Unity3D設計之精妙。不得不說，筆者最近幾年的引擎研發工做中，早已習慣性的從Unity3D中尋找解決方案。

Unity3D雖比不上UE那麼老練沉穩，氣勢磅礴。也比不上CE那樣炫麗多姿，盛氣凌人。但它的發展勢如破竹，早已遍地生花！故而在此記錄一些本身的心得體會，供你們參詳交流。如有欠妥之處，還望各位及時指正。

Thinking in Unity3D由一系列文章組成，文章列表地址：http://www.cnblogs.com/geniusalex/p/5321545.html

 

什麼是PBS

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PBS（Physically Based Shading）在有一些地方也叫PBR（Physically Based Rendering），是一個基於物體表面材質屬性的着色方法。與以前的Blinn-Phong等算法不一樣。PBS經過對物體表面的材質屬性與周圍光照信息來進行着色計算。PBS着色系統中，一個物體不只受到光源的影響，還會受到周圍環境的影響。 這會使得整個場景更加真實。

PBS有一個大前提，就是它可以知足光能傳播過程當中的能量守衡。能量守衡體如今三個方面。

一、一個對象反射出來的光照信息，不可能超過它接受到的信息。也就是說，全反射是一個物體的極限。

二、一個物體越光亮，那麼它的顏色信息應該越少。（能夠看出，refection 和 diffuse 應該是一個插值關係）

三、一個物體越平滑，那麼它的高亮點會越小，越亮。

下圖展現瞭如下事實

一、下圖中全部的點，光照計算的方式如出一轍

二、粗糙的表面，受到的光照影響後，亮的面積會多些。

三、越平滑的表面，高亮點越小，越亮。

四、點A的光照信息來自攝像機方向。

五、點B的光照信息主要來自天空的藍色。

六、點C的光照信息主要來自地面。

 

PBS在Unity3D中的體現

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在Unity3D 5.X中，默認的材質均被Standard Shader和Standard （Specular setup) Shader替代。 咱們能夠認爲，Standard系列的Shader就是Unity3D中的PBS實現。下圖即是使用Standard Shader渲染出來的場景效果。

若咱們在Unity3D 5.x中新建一個空場景，你會發現有一個默認的天空盒。此時，咱們再新建一個Sphere放在原點。 默認狀況下，這個球的材質使用的就是Standard Shader.以下圖所示，它受天空盒影響，上下呈現出不一樣的顏色。假如你更改天空盒的材質，那麼這個球也會跟着變化。

 

Unity3D中PBS具體內容

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PBS或者說PBR的原理只是一種指導思想，不一樣的引擎的實現仍是有細微的區別。在此，咱們先來看看Unity3D中,PBS的實現細節。請先看一張Standard Shader的材質參數圖

左：Standard Shader     右：Standard(Specular steup)

第一眼看過去，熟悉PBR算法的朋友應該很容易看清楚Albedo、Specular、NormalMap、Occlusion、Emission等參數的意思。其他的就多半隻能靠猜了。在此咱們逐一說明每個參數的含義。

 

一、Rendering Mode

Rendering Mode用於在非透明和多種透明效果之間切換。

Opaque：默認值，實體渲染。

Cutout：即Alpha test，經過貼圖的Alpha值縷空模型表面。

Transparent：透明效果，如玻璃，半透明塑料等等。

Fade：在這個模式下，一個對象能夠實現淡入淡出效果。

Transparent與Fade模式的區別

Transparent模式下，反射和高光疊加的顏色不會進行Alpha效果，也就是說，對於玻璃等效果，反射足夠強的時候，只能隱約看到後面的內容，這也是符合能量守衡的，反射越多，吸取就越少。咱們能夠忽略細節，假設計算公式像這樣：DiffuseColor * Alpha + RefColor * (1 - Alpha)。

Fade模式下則不會進行這樣的運算，它會簡單粗爆的進行Alpha計算。咱們一樣能夠用僞代碼表示：DiffuseColor * Alpha + RefColor * Alpha。

由此能夠看出，Fade模式下，有較強反射的半透明物體，效果不會特別好，須要慎用。

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterRenderingMode.html

 

二、Albedo

Albedo與Diffuse的區別是，Albedo咱們認爲，它是一個只擁有顏色信息的「平面」貼圖，即不帶任何AO，SHADOW等光影信息。一個物體的Alpha信息，也是由這個提供。Albedo + Tint Color構成了物體的Base Color顏色值。

下圖是常見的材質亮度表

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterAlbedoColor.html

 

三、Metallic & Specluar & Smoothness

前面提到Unity3D提供了Standard和Standard(Specular steup)兩種着色方式。 不管是哪一種着色方式，都是控制高光反射結果的。

Specular經過直接賦與顏色的方式來決定高光反射強度。而Metallic則經過一個0~1的值，來決定金屬的反射強度。

不論是在metallic仍是Specular模式下，一但使用了貼圖來決定高光反射效果。引擎將會採用貼圖中的值，設置的Metallic因子，或者Specular Color均會無效。在這種狀況下，兩者是等價的。可是，兩者的效果是不同的。根據實則結果，Metallic的反射比Specular要多一些。

 

Metallic爲1的狀況下，左：Smoothness=0.0、中：Smoothness=0.五、 Smoothness=1.0

 

 

常見物體的Specular+Smoothness一塊兒變化時的狀況表

 

 

常見物體的Metallic表

 

Smoothness則決定了一個物體的光滑呈度。 即便一個物體表面高光很強烈。若它是一個不光滑的物體，那麼其反射會呈不規則的方向分佈，會將光能分散到i同的地方。那麼到達人眼中的反射光就會少。總體的反射效果就會變得很弱。

 

物體的由粗糙到光滑的光線反射狀況

 

常見物體Smoothness表

注：當Metallic或者Specular被賦與貼圖後。Smoothness值會失效。 轉而採用Matallic或者Specular貼中的Alpha通道做爲Smoothness值。

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMetallicVsSpecular.html

四、Normal Map

Normal Map是Bump Mapping的一種特例化。 它主要是經過貼圖爲光照計算時提供更細節的法線信息。使物體低模物體表面具備高度的細節效果。以下圖所示

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterNormalMap.html

 

五、Heightmap

Heightmap比NormalMap更上一層樓，NormalMap是經過賦與物體表面更多的法線信息，來形成光照上的細節加強。 Normal Map有一個缺點就是，當視線與表面平行時，就失去的法線效果。而Heightmap則直接對某些頂點進行位移。由此也能夠看出來，Heightmap的效率開銷會比Normalmap高，要更據狀況選擇使用。

高度圖是一張灰度圖，白色表示突出，黑色表示凹陷。以下圖所示

更多細節請看官方文檔：

下面的圖展現了 左：普通效果   中：NormalMap效果 右：Heightmap效果

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterHeightMap.html

 

六、Occlusion Map

Occlusion Map用於決定一個模型各部位受到間隔光照的影響狀況。 間隔光照通常來自於Ambient和環境反射。

Occlusion Map示例

 

左：無Occlusion Map  右：有Occlusion Map

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterOcclusionMap.html

 

七、Emission

Emission表示一個物體的自發光程度。默認是純黑，若是爲這個物體賦值了非黑色的材質。 那麼這個物體即便在黑暗的場景下，也會有亮光。 咱們能夠簡單的認爲，計算公式像這樣：FinalColor = Color + Emission

它通常用來作一些顯示器等會進行自發光的物體材質，以下圖所示。

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterEmission.html

 

八、Detail Mask & Secondary Maps

Secondary Maps用於在物體的表面增長細節。咱們能夠爲一個物體再賦值一套Albedo和NormalMap. 經測試，第一套Albedo和第二套Albedo的疊加算法以下  AlbedoFinal = Albedo0.rgb  * Albedo1.a + Albedo0.rgb * Albedo1.rgb

Detail Mask則用於第一套貼圖和第二套貼圖的混合。具體公式以下。

Albedo0.rgb = Albedo0.rgb * (1 - DetailMask.a);

Albedo1.rgb = Albedo1.rgb * DetailMask.a;

AlbedoFinal = Albedo0.rgb  * Albedo1.a + Albedo0.rgb * Albedo1.rgb

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterDetail.html

 

九、Fresnel

Fresnel即爲菲涅爾效果。物體的表面與視線的夾角的不一樣，會致使眼睛看到的從物體反射出來的光線的反射量不一樣。

同一視角下，不一樣光滑程度的物體菲涅爾效果的差異

注：目前的Standard Shader並無直接爲你們提供控制菲涅爾反射效果的因子。 而是經過Smoothness因子間接控制。

更多細節請看官方文檔：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderFresnel.html

 

來去如風

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Unity3D 5.x中對材質系統的改進，進一步促進了Unity3D畫質效果的提高。 而基於PBS的着色系統，也讓美術人員在實現某些高級效果的時候，不用糾結選用哪一個材質更好了。

可是有如下幾點須要注意。

一、雖然Standard提供的參數中，若是不進行設置，Unity3D會進行優化處理，避免額外開銷。 但Standard Shader基於PBS的着色方式，在計算間接光照的時候有大量的開銷。 而且像素着色器的複雜度，也遠遠高於傳統的着色模式。所以，在手機上要慎用。 在PC上，遊戲項目也須要進行必定的優化或者根據主次關係進行材質LOD。

二、Standard Shader僅提供了渲染層級的效果展現。 面對遊戲中的若干需求，仍是須要進行一些定製化。 這就要求咱們須要將Builltin Shaders下載下來，在Standard Shader基礎上進行修改。

三、對於手機項目，建議自已根據項目需求進行材質編寫，去除沒必要要的間接光照計算。

總體參考文檔地址：http://docs.unity3d.com/Manual/shader-StandardShader.html