【Unity】Unity5.0之PBR/PBS详解

以你之姓@ 2022-11-04 11:20 323阅读 0赞

### 什么是PBR ###

--------------------

首先 PBS（Physically Based Shading）也就是 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。

![Image(9)][Image_9]

### 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。

![Image(10)][Image_10]

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。

![Image(12)][Image_12]

### 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

![acbf6a9b7bd129ced59d9ed04310cd27.png][]

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。

**Transparent**与**Fade**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。

更多细节请看官方文档：[http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterRenderingMode.html][http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterRenderingMode.html]

**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

![Image(15)][Image_15]

更多细节请看官方文档：[http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterAlbedoColor.html][http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterAlbedoColor.html]

**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。

![4b67a125c30cb96d5b2d47fef08cd003.png][]Metallic为1的情况下，左：Smoothness=0.0、中：Smoothness=0.5、 Smoothness=1.0

![0f2b231408a69623f9cae7a6a38773c9.png][]

常见物体的Specular+Smoothness一起变化时的情况表

![Image(20)][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。

![Image(21)][Image_21]

物体的由粗糙到光滑的光线反射情况

![Image(22)][Image_22]

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。**

更多细节请看官方文档：[http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMetallicVsSpecular.html][http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMetallicVsSpecular.html]

**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

![Image(23)][Image_23]

更多细节请看官方文档：[http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterNormalMap.html][http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterNormalMap.html]

**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**

![Image(24)][Image_24]

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**

![Image(25)][Image_25]

更多细节请看官方文档：[http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterHeightMap.html][http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterHeightMap.html]

**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。

![Image(26)][Image_26]

Occlusion Map示例

![Image(27)][Image_27]

左：无Occlusion Map 右：有Occlusion Map

更多细节请看官方文档：[http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterOcclusionMap.html][http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterOcclusionMap.html]

**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。

![Image(28)][Image_28]

更多细节请看官方文档：[http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterEmission.html][http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterEmission.html]

**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

![Image(29)][Image_29]

更多细节请看官方文档：[http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterDetail.html][http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterDetail.html]

**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。

![Image(30)][Image_30]

同一视角下，不同光滑程度的物体菲涅尔效果的差别

**注**：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。

[Image_9]: /images/20221023/1671aaadd6b14d378358548cb53d881b.png
[Image_10]: /images/20221023/b031c1e763d84fd8862791a7c40a4609.png
[Image_12]: /images/20221023/bda925581b22412d8cb4f3935ce158c8.png
[acbf6a9b7bd129ced59d9ed04310cd27.png]: /images/20221023/9ea41be4515b4eb38c3c813628f8c703.png
[http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterRenderingMode.html]: http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterRenderingMode.html
[Image_15]: /images/20221023/7b1144a84dd04a5e87746b52a4120e4a.png
[http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterAlbedoColor.html]: http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterAlbedoColor.html
[4b67a125c30cb96d5b2d47fef08cd003.png]: /images/20221023/85df4e6fa9d4485a9aa752e72f83727b.png
[0f2b231408a69623f9cae7a6a38773c9.png]: /images/20221023/8f2246883d634111993144630e42893b.png
[Image_20]: /images/20221023/b815078be73048ccbd33d83809b3bb00.png
[Image_21]: /images/20221023/32e45bb302ac48599f6a92cdbfb982b2.png
[Image_22]: /images/20221023/9deb626afbdf42e7b03a90f4176d1014.png
[http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMetallicVsSpecular.html]: http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMetallicVsSpecular.html
[Image_23]: /images/20221023/40537221c1f54c9fbcbe36b0fcb67a76.png
[http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterNormalMap.html]: http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterNormalMap.html
[Image_24]: /images/20221023/955fce15519348c5bc07bbf691280f81.png
[Image_25]: /images/20221023/8ce9fcafaa44411c9eaf27a9f6cc79ec.png
[http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterHeightMap.html]: http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterHeightMap.html
[Image_26]: /images/20221023/88ac23b6bf194ec5adadbf1b434437cf.png
[Image_27]: /images/20221023/820b821b938a429a9367b181a1c5a90d.png
[http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterOcclusionMap.html]: http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterOcclusionMap.html
[Image_28]: /images/20221023/48a4b59c1295483585e54ef5374627bf.png
[http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterEmission.html]: http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterEmission.html
[Image_29]: /images/20221023/bcb47fd732b840f3ae873f00b922913c.png
[http_docs.unity3d.com_Manual_StandardShaderMaterialParameterDetail.html]: http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderMaterialParameterDetail.html
[Image_30]: /images/20221023/18b0860a65fb4ec2acafc5cef37ee05c.png