PBR是什么
字面意思基于物理的渲染
什么叫基于物理？
• 基于物理的光照（Lighting） • 基于物理适配的摄像机（Camera）
PBR基础理念的概括
使用PBR有以下几个优点：
- 用PBR方法创建材质更容易，创建材质属性时不再需要猜测，而是根据真实数据设置；
- 材质在所有光照条件下看起来都是正确的；
- PBR提供了一种稳定的美术工作流程。
PBR有两种主要的工作流（指数据以何种形式输入到引擎中）
一种是Metallic/Roughness（金属值/粗糙度）；另一种是Specular/Glossiness（镜面反射/光泽度）
两种工作流的不同点
金属工作流的名字来源于它定义了材质表面的金属值（是金属类型还是非金属类型）；
高光反射工作流的名字来源于它可以直接指定表面的高光反射颜色（有很强的高光反射还是很弱的高光反射）等，而这在金属工作流中这个颜色需要由漫反射颜色和金属值衍生而来。
Metallic
- Base Color = 漫反射+金属反射
- Metal贴图作为一个蒙版，用来标记金属和非金属
- 非金属F0固定为4% 金属的反射率值，与绝缘体的反射颜色一起存储在固有色贴图中
- 固有色贴图中的非金属区域表示反照颜色，金属区域表示的是反射率数值。
- 固有色不应当含有光照信息，微观遮蔽（micro-occlusion）信息除外。
- 暗部数值不应低于30 sRGB(宽松范围) - 50 sRGB(严格范围)。
- 亮部数值不应高于240 sRGB。
- 金属的反射率较高，有70-100%之间的镜面反射，映射到 sRGB 为180-255
Specular
- 可以随意控制非金属F0
- Diffuse(Albedo)只代表漫反射
接下来我们看一个在实际工作中经常会遇到的问题，就是为什么Substance中的预览效果与导入引擎实际渲染效果差别很大？
这跟显示设备的校色、匹配场景环境、理解线性和非线性颜色空间的区别有关系。人眼感知是非线性的，即使今天的显示器是数字的，它们仍然采用伽马编码信号作为输入。伽玛空间的公认标准称为sRGB，该标准定义了一个伽马空间映射到线性空间。
UnityShader PBR Code
Shader "MyShader/PBR_Custom"
{
Properties
{
_MainTex("Albedo", 2D) = "white" {}
_Emissive("Emissive", 2D) = "white" {}
[HDR]_EmissiveColor("EmissiveColor",Color)=(1, 1, 1, 1)
//[Gamma]_Roughness("Roughness", Range(0.0, 1.0)) = 0.0
_Roughness("Roughness", 2D) = "white" {}
_RoughnessFactor("RoughnessFactor", Range(0.2, 2)) = 1.0
_MetallicGlossMap("Metallic", 2D) = "white" {}
_AO("AO", 2D) = "white" {}
_BumpScale("Scale", Float) = 1.0
_BumpMap("Normal Map", 2D) = "bump" {}
[NoScaleOffset]_LUT("LUT", 2D) = "white" {}
_Color("Color",Color)=(1, 1, 1, 1)
}
SubShader
{
Tags{"RenderType" = "Opaque"}
LOD 300
CGINCLUDE
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
//D 法线分布函数GGX
float D(float NdotH, float Roughness)
{
float alpha_2 = pow(lerp(0.002, 1, Roughness), 2);
float NdotH_2 = pow(saturate(NdotH), 2);
float deno = UNITY_PI * pow((NdotH_2 * (alpha_2 - 1) + 1), 2);
return alpha_2 / deno;
}
//F 菲涅尔近似方程 Fresnel-Schlick
float F(float VdotH, float3 F0)
{
half t = Pow5 (1 - VdotH);
return lerp(t, 1, F0);
}
//G 几何函数 GeometrySchlickGGX
float G(float NdotV, float NdotL, float Roughness)
{
//float k = pow(Roughness+1, 2) / 8;
float k = pow(Roughness, 2) / 2;
float g_sub1 = NdotV / lerp(NdotV,1,k);
float g_sub2 = NdotL / lerp(NdotL,1,k);
return g_sub1 * g_sub2;
}
//高光反射
float3 Specular(float D, float F, float G, float NdotV, float NdotL)
{
return (D * F * G) / (4 * NdotL * NdotV + 0.000001);//防除0
}
//Lambert漫反射
float3 Diffuse(float NdotH, float3 Albedo, float Tint)
{
return Albedo * Tint * NdotH ;
}
//菲涅尔近似方程 Fresnel-Schlick
float3 fresnelSchlickRoughness(float cosTheta, float3 F0, float roughness)
{
return F0 + (max(float3(1.0 - roughness, 1.0 - roughness, 1.0 - roughness), F0) - F0) * pow(1.0 - cosTheta, 5.0);
}
//漫反射系数
float3 Kd(float3 Flast, float Metallic)
{
return (1 - Flast) * (1 - Metallic);
}
//间接光漫反射
float3 IBL_Diffse(float Albedo, float3 Ndir, float Kd)
{
//球谐
half3 ambient_contrib = ShadeSH9(float4(Ndir, 1));
float3 ambient = 0.03 * Albedo;
float3 iblDiffuse = max(half3(0, 0, 0), ambient.rgb + ambient_contrib);
return iblDiffuse * Albedo * Kd;
}
ENDCG
Pass
{
Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma target 3.0
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityStandardBRDF.cginc"
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 tangent :TANGENT;
};
struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float3 lightDir : TEXCOORD1;
float3 viewDir : TEXCOORD2;
};
sampler2D _MainTex;
float4 _MainTex_ST;
sampler2D _Emissive;
sampler2D _Emissive_ST;
float4 _EmissiveColor;
sampler2D _Roughness;
sampler2D _Roughness_ST;
float _RoughnessFactor;
sampler2D _MetallicGlossMap;
sampler2D _MetallicGlossMap_ST;
sampler2D _AO;
sampler2D _AO_ST;
float _BumpScale;
sampler2D _BumpMap;
float4 _BumpMap_ST;
sampler2D _LUT;
fixed4 _Color;
v2f vert(appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);
TANGENT_SPACE_ROTATION;//省写TBN真好用(
o.lightDir=mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex).xyz);
o.viewDir=mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex).xyz);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
//准备数据
float4 albedo = tex2D(_MainTex,i.uv) * _Color; //颜色
float4 packNormal = tex2D(_BumpMap,i.uv); //法线
float metallic = tex2D(_MetallicGlossMap,i.uv).r; //金属
float roughness = tex2D(_Roughness,i.uv).r * _RoughnessFactor; //粗糙
float ao = tex2D(_AO,i.uv).r; //环境光遮蔽
float4 emissive = tex2D(_Emissive,i.uv).r; //自发光
float3 nDir = UnpackNormal(packNormal);
nDir.xy *= _BumpScale;
nDir.z = sqrt(1 - saturate(dot(nDir.xy,nDir.xy))); //法线转切线空间
float3 lDir = normalize(i.lightDir);
float3 vDir = normalize(i.viewDir);
float3 hDir = normalize(lDir+vDir);
//准备中间数据1
float NdotH = saturate(dot(nDir,hDir));
float VdotH = saturate(dot(vDir,hDir));
float NdotV = saturate(dot(nDir,vDir));
float NdotL = saturate(dot(nDir,lDir));
//准备中间数据2
float3 F0 = float3(0.04, 0.04, 0.04);
F0=lerp(F0, albedo.rgb, metallic);
float3 Flast_VH = fresnelSchlickRoughness(max(VdotH, 0.0), F0, roughness); //微观
float3 Flast_NV = fresnelSchlickRoughness(max(NdotV, 0.0), F0, roughness); //宏观
float kd_VH = Kd(Flast_VH, metallic);
float kd_NV = Kd(Flast_VH, metallic);
float d = D(NdotH, roughness);
float f = F(VdotH, F0);
float g = G(NdotV, NdotL, roughness);
float2 LUT_lerp = float2( lerp(0, 0.99, NdotV), lerp(0, 0.99, roughness) );
float2 envBDRF = tex2D(_LUT, LUT_lerp).rg; // LUT采样
//计算
float3 diffuse = Diffuse(NdotH, albedo.rgb, _Color);
float3 specular = Specular(d, f, g, NdotV, NdotL);
diffuse = diffuse * kd_VH;
specular = specular * _Color * NdotL * UNITY_PI;
float3 DirectLight = diffuse + specular;
float3 ibl_Diffse = IBL_Diffse(albedo, nDir, kd_NV);
//这部分为ibl_specular-----------------------
float mip_roughness = roughness * (1.7 - 0.7 * roughness);
float3 reflectVec = reflect(-vDir, nDir);
half mip = mip_roughness * 6;
half4 rgbm = UNITY_SAMPLE_TEXCUBE_LOD(unity_SpecCube0, reflectVec, mip);
float3 ibl_Specular = DecodeHDR(rgbm, unity_SpecCube0_HDR) * (Flast_NV * envBDRF.r + envBDRF.g);
//--------------------------------------------
float3 inDirectLight = (ibl_Diffse + ibl_Specular) * ao;
return float4(DirectLight + inDirectLight , 1);
//return float4(DirectLight + inDirectLight + emissive * _EmissiveColor, 1);
}
ENDCG
}
}
}