Unity教程之-基于物理着色(PBS)的材质系统

 

PBS(Physically Based Shading)在有一些地方也叫PBR(Physically Based Rendering),是一个基于物体表面材质属性的着色方法。与之前的Blinn-Phong等算法不同。PBS通过对物体表面的材质属性与周围光照信息来进行着色计算。PBS着色系统中,一个物体不仅受到光源的影响,还会受到周围环境的影响。 这会使得整个场景更加真实。

PBS有一个大前提,就是它能够满足光能传播过程中的能量守衡。能量守衡体现在三个方面。

1、一个对象反射出来的光照信息,不可能超过它接受到的信息。也就是说,全反射是一个物体的极限。

2、一个物体越光亮,那么它的颜色信息应该越少。(可以看出,refection 和 diffuse 应该是一个插值关系)

3、一个物体越平滑,那么它的高亮点会越小,越亮。

下图展示了以下事实

1、下图中所有的点,光照计算的方式一模一样

2、粗糙的表面,受到的光照影响后,亮的面积会多些。

3、越平滑的表面,高亮点越小,越亮。

4、点A的光照信息来自摄像机方向。

5、点B的光照信息主要来自天空的蓝色。

6、点C的光照信息主要来自地面。

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PBS在Unity3D中的体现


在Unity3D 5.X中,默认的材质均被Standard Shader和Standard (Specular setup) Shader替代。 我们可以认为,Standard系列的Shader就是Unity3D中的PBS实现。下图便是使用Standard Shader渲染出来的场景效果。

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若我们在Unity3D 5.x中新建一个空场景,你会发现有一个默认的天空盒。此时,我们再新建一个Sphere放在原点。 默认情况下,这个球的材质使用的就是Standard Shader.如下图所示,它受天空盒影响,上下呈现出不同的颜色。假如你更改天空盒的材质,那么这个球也会跟着变化。

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Unity3D中PBS具体内容


PBS或者说PBR的原理只是一种指导思想,不同的引擎的实现还是有细微的区别。在此,我们先来看看Unity3D中,PBS的实现细节。请先看一张Standard Shader的材质参数图

左:Standard Shader     右:Standard(Specular steup)

第一眼看过去,熟悉PBR算法的朋友应该很容易看清楚Albedo、Specular、NormalMap、Occlusion、Emission等参数的意思。其余的就多半只能靠猜了。在此我们逐一说明每一个参数的含义。

 

1、Rendering Mode

Rendering Mode用于在非透明和多种透明效果之间切换。

Opaque:默认值,实体渲染。

Cutout:即Alpha test,通过贴图的Alpha值缕空模型表面。

Transparent:透明效果,如玻璃,半透明塑料等等。

Fade:在这个模式下,一个对象可以实现淡入淡出效果。

TransparentFade模式的区别

Transparent模式下,反射和高光叠加的颜色不会进行Alpha效果,也就是说,对于玻璃等效果,反射足够强的时候,只能隐约看到后面的内容,这也是符合能量守衡的,反射越多,吸收就越少。我们可以忽略细节,假设计算公式像这样:DiffuseColor * Alpha + RefColor * (1 – Alpha)。

Fade模式下则不会进行这样的运算,它会简单粗爆的进行Alpha计算。我们同样可以用伪代码表示:DiffuseColor * Alpha + RefColor * Alpha。

由此可以看出,Fade模式下,有较强反射的半透明物体,效果不会特别好,需要慎用。

2、Albedo

Albedo与Diffuse的区别是,Albedo我们认为,它是一个只拥有颜色信息的“平面”贴图,即不带任何AO,SHADOW等光影信息。一个物体的Alpha信息,也是由这个提供。Albedo + Tint Color构成了物体的Base Color颜色值。

下图是常见的材质亮度表

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3、Metallic & Specluar & Smoothness

前面提到Unity3D提供了Standard和Standard(Specular steup)两种着色方式。 无论是哪种着色方式,都是控制高光反射结果的。

Specular通过直接赋与颜色的方式来决定高光反射强度。而Metallic则通过一个0~1的值,来决定金属的反射强度。

不管是在metallic还是Specular模式下,一但使用了贴图来决定高光反射效果。引擎将会采用贴图中的值,设置的Metallic因子,或者Specular Color均会无效。在这种情况下,二者是等价的。但是,二者的效果是不一样的。根据实则结果,Metallic的反射比Specular要多一些。

 

Metallic为1的情况下,左:Smoothness=0.0、中:Smoothness=0.5、 Smoothness=1.0

 

 

常见物体的Specular+Smoothness一起变化时的情况表

 

 

Image(20)常见物体的Metallic表

 

Smoothness则决定了一个物体的光滑呈度。 即使一个物体表面高光很强烈。若它是一个不光滑的物体,那么其反射会呈不规则的方向分布,会将光能分散到i同的地方。那么到达人眼中的反射光就会少。整体的反射效果就会变得很弱。

 

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物体的由粗糙到光滑的光线反射情况

 

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常见物体Smoothness表

注:当Metallic或者Specular被赋与贴图后。Smoothness值会失效。 转而采用Matallic或者Specular贴中的Alpha通道作为Smoothness值。

4、Normal Map

Normal Map是Bump Mapping的一种特例化。 它主要是通过贴图为光照计算时提供更细节的法线信息。使物体低模物体表面具有高度的细节效果。如下图所示

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5、Heightmap

Heightmap比NormalMap更上一层楼,NormalMap是通过赋与物体表面更多的法线信息,来造成光照上的细节增强。 Normal Map有一个缺点就是,当视线与表面平行时,就失去的法线效果。而Heightmap则直接对某些顶点进行位移。由此也可以看出来,Heightmap的效率开销会比Normalmap高,要更据情况选择使用。

高度图是一张灰度图,白色表示突出,黑色表示凹陷。如下图所示

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更多细节请看官方文档:

下面的图展示了 左:普通效果   中:NormalMap效果 右:Heightmap效果

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6、Occlusion Map

Occlusion Map用于决定一个模型各部位受到间隔光照的影响情况。 间隔光照一般来自于Ambient和环境反射。

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Occlusion Map示例

 

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左:无Occlusion Map  右:有Occlusion Map

 

7、Emission

Emission表示一个物体的自发光程度。默认是纯黑,如果为这个物体赋值了非黑色的材质。 那么这个物体即使在黑暗的场景下,也会有亮光。 我们可以简单的认为,计算公式像这样:FinalColor = Color + Emission

它一般用来做一些显示器等会进行自发光的物体材质,如下图所示。

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8、Detail Mask & Secondary Maps

Secondary Maps用于在物体的表面增加细节。我们可以为一个物体再赋值一套Albedo和NormalMap. 经测试,第一套Albedo和第二套Albedo的叠加算法如下  AlbedoFinal = Albedo0.rgb  * Albedo1.a + Albedo0.rgb * Albedo1.rgb

Detail Mask则用于第一套贴图和第二套贴图的混合。具体公式如下。

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

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

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

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9、Fresnel

Fresnel即为菲涅尔效果。物体的表面与视线的夹角的不同,会导致眼睛看到的从物体反射出来的光线的反射量不同。

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同一视角下,不同光滑程度的物体菲涅尔效果的差别

:目前的Standard Shader并没有直接为大家提供控制菲涅尔反射效果的因子。 而是通过Smoothness因子间接控制。

Unity3D 5.x中对材质系统的改进,进一步促进了Unity3D画质效果的提升。 而基于PBS的着色系统,也让美术人员在实现某些高级效果的时候,不用纠结选用哪个材质更好了。

但是有以下几点需要注意。

1、虽然Standard提供的参数中,如果不进行设置,Unity3D会进行优化处理,避免额外开销。 但Standard Shader基于PBS的着色方式,在计算间接光照的时候有大量的开销。 并且像素着色器的复杂度,也远远高于传统的着色模式。因此,在手机上要慎用。 在PC上,游戏项目也需要进行一定的优化或者根据主次关系进行材质LOD。

2、Standard Shader仅提供了渲染层级的效果展示。 面对游戏中的若干需求,还是需要进行一些定制化。 这就要求我们需要将Builltin Shaders下载下来,在Standard Shader基础上进行修改。

3、对于手机项目,建议自已根据项目需求进行材质编写,去除不必要的间接光照计算。