Unity 5着色器系统代码介绍（下）

http://forum.china.unity3d.com/thread-25738-1-10.html

上一篇对着色器系统的工作原理做了介绍，现在我们将继续深入，将目光聚焦在标准着色器的光照函数。

重新回到Standard.shader，这次在UnityStandardCoreForward.shader中，我们将选择另一个“不简单”的那个分支。它将我们引向UnityStandardCore.shader，而我们感兴趣的是fragForwardBaseInternal函数。

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?

half4
fragForwardBaseInternal (VertexOutputForwardBase i) 

{

    FRAGMENT_SETUP(s)

#if
UNITY_OPTIMIZE_TEXCUBELOD

    s.reflUVW      
= i.reflUVW;

#endif

 

    UnityLight
mainLight = MainLight (s.normalWorld);

    half
atten = SHADOW_ATTENUATION(i);

 

 

    half
occlusion = Occlusion(i.tex.xy);

    UnityGI
gi = FragmentGI (s, occlusion, i.ambientOrLightmapUV, atten, mainLight);

 

    half4
c = UNITY_BRDF_PBS (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.oneMinusRoughness, s.normalWorld, -s.eyeVec, gi.light, gi.indirect);

    c.rgb
+= UNITY_BRDF_GI (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.oneMinusRoughness, s.normalWorld, -s.eyeVec, occlusion, gi);

    c.rgb
+= Emission(i.tex.xy);

 

    UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord,
c.rgb);

    return

OutputForward (c, s.alpha);

}

拿来做参考的简单版本：

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half3
c = BRDF3_Indirect(s.diffColor, s.specColor, gi.indirect, PerVertexGrazingTerm(i, s), PerVertexFresnelTerm(i)); 


    c
+= BRDF3DirectSimple(s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusRoughness, rl) * attenuatedLightColor;

    c
+= UNITY_BRDF_GI (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.oneMinusRoughness, s.normalWorld, -s.eyeVec, occlusion, gi);

与上一节中的版本不同，最终的颜色由对UNITY_BRDF_PBS、UNITY_BRDF_GI和Emission的调用结果相加得出。



Emission与简单版本中的相同。UNITY_BRDF_PBS和UNITY_BRDF_GI是包含文件中定义的函数别名。在下面这些包含文件中进行查找：

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#include
"UnityCG.cginc"

#include
"UnityShaderVariables.cginc"

#include
"UnityInstancing.cginc"

#include
"UnityStandardConfig.cginc"

#include
"UnityStandardInput.cginc"

#include
"UnityPBSLighting.cginc"

#include
"UnityStandardUtils.cginc"

#include
"UnityStandardBRDF.cginc"

 

#include
"AutoLight.cginc"

UnityStandardBRDF和UnityPBSLighting看起来最像，所以先查看它们。它们就在UnityPBSLighting.cginc中，不同的着色器目标会选择不同的函数。



选择BRDF1_Unity_PBS，它就在UnityStandardBRDF.cginc中，它看起来是最逼真的可用BRDF，而BRDF3_Unity_PBS则是消耗最低的版本。



如你所见，这是个大函数，因此跳过一些与优化相关的细节，依次逐块的进行讲解，首先从这个非常有用的注释开始：

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?

//
Main Physically Based BRDF

//
Derived from Disney work and based on Torrance-Sparrow micro-facet model

//

//  
BRDF = kD / pi + kS * (D * V * F) / 4

//  
I = BRDF * NdotL

//

//
* NDF (depending on UNITY_BRDF_GGX):

// 
a) Normalized BlinnPhong

// 
b) GGX

//
* Smith for Visiblity term

//
* Schlick approximation for Fresnel

注释给出了使用的公式，以及引用与作用。NDF（法线分布函数）有多个选择，但这里仅介绍GGX，因为我觉得它更好。



下面对注释中的公式进行简单的介绍：

• kD: 漫反射率
• pi: π常量
• kS: 镜面反射率
• D: 法线分布
• V: 几何可见度系数
• F: 菲涅尔反射率

自定义光照函数：

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half4
BRDF1_Unity_PBS (half3 diffColor, half3 specColor, half oneMinusReflectivity, half oneMinusRoughness, 


    half3
normal, half3 viewDir,

    UnityLight
light, UnityIndirect gi)

{

    half
roughness = 1-oneMinusRoughness;

将光滑度转换为粗糙度。

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?

half3
halfDir = Unity_SafeNormalize (light.dir + viewDir);

half向量。



正确处理NdotV（查看文件中的注释）：

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half
nl = DotClamped(normal, light.dir);

 

half
nh = BlinnTerm (normal, halfDir);

half
nv = DotClamped(normal, viewDir);

 

half
lv = DotClamped (light.dir, viewDir);

half
lh = DotClamped (light.dir, halfDir);

计算 V 和 D：

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half
V = SmithJointGGXVisibilityTerm (nl, nv, roughness);

   half
D = GGXTerm (nh, roughness);

根据Disney BRDF，计算漫反射项，以及镜面反射系数：

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?

half
disneyDiffuse = (1 + (Fd90-1) * nlPow5) * (1 + (Fd90-1) * nvPow5);

   half
specularTerm = (V * D) * (UNITY_PI/4); //
Torrance-Sparrow model, Fresnel is applied later (for optimization reasons)

   //HACK
(see file for more comments)

   specularTerm
= max(0, specularTerm * nl);

   half
diffuseTerm = disneyDiffuse * nl;

 

   //
surfaceReduction = Int D(NdotH) * NdotH * Id(NdotL>0) dH = 1/(realRoughness^2+1)

   half
realRoughness = roughness*roughness;       //
need to square perceptual roughness

   half
surfaceReduction = 1.0 / (realRoughness*realRoughness + 1.0);          //
fade \in [0.5;1]

 

   half
grazingTerm = saturate(oneMinusRoughness + (1-oneMinusReflectivity));

将所有的加总，包括全局光照贡献：

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?

  half3
color =    diffColor * (gi.diffuse + light.color * diffuseTerm)

                    +
specularTerm * light.color * FresnelTerm (specColor, lh)

                    +
surfaceReduction * gi.specular * FresnelLerp (specColor, grazingTerm, nv);

 

    return

half4(color, 1);

}

以上就是光照函数的全部。下面来深入介绍全局光照对最终结果的贡献。



本节我们将介绍全局光照贡献的计算方式。过程有些麻烦，因为进行关键计算的代码隐匿在质量选择层的层层定义之后。



所以让我们查看下所有与全局光照有关的函数和结构体，它们就位于我们前面三节提及的代码中。



在UnityStandardCore.cginc中， fragForwardBaseInternal:

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?

UnityGI
gi = FragmentGI (s, occlusion, i.ambientOrLightmapUV, atten, mainLight); 

half4
c = UNITY_BRDF_PBS (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.oneMinusRoughness, s.normalWorld, -s.eyeVec, gi.light, gi.indirect); 


    c.rgb
+= UNITY_BRDF_GI (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.oneMinusRoughness, s.normalWorld, -s.eyeVec, occlusion, gi);

在我们的片段前向基本函数中，FragmentGI被用于计算全局光照数据：“gi”，它被传递给UNITY_BRDF_PBS 和UNITY_BRDF_GI （它们的定义分别对应着不同的质量级别）。



在UnityStandardBRDF.cginc中， BRDF1_Unity_PBS:

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half4
BRDF1_Unity_PBS (half3 diffColor, half3 specColor, half oneMinusReflectivity, half oneMinusRoughness, 


    half3
normal, half3 viewDir,

    UnityLight
light, UnityIndirect gi)

{

[...]

    half3
color =    diffColor * (gi.diffuse + light.color * diffuseTerm)

                    +
specularTerm * light.color * FresnelTerm (specColor, lh)

                    +
surfaceReduction * gi.specular * FresnelLerp (specColor, grazingTerm, nv);

    return

half4(color, 1);

}

这是UNITY_BRDF_PBS部分，它接受gi，用它来计算着色像素的颜色。



以下两个定义至少需要定义一个：

• LIGHTMAP_ON
• DYNAMICLIGHTMAP_ON

还有一堆额外的定义，用来控制代码的跳转，或决定函数的选择：

• DIRLIGHTMAP_SEPARATE
• DIRLIGHTMAP_COMBINED
• UNITY_BRDF_PBS_LIGHTMAP_INDIRECT
• UNITY_BRDF_GI
• UNITY_SHOULD_SAMPLE_SH
• UNITY_SPECCUBE_BLENDING
• UNITY_SPECCUBE_BOX_PROJECTION
• _GLOSSYREFLECTIONS_OFF
• UNITY_SPECCUBE_BOX_PROJECTION

全局光照数据的流转基本是这样的，从基本结构体流向与定义相关的函数：

• 结构体UnityGI (在UnityLightingCommon.cginc中) 保存着多个UnityLight，取决于光照贴图的类型
• 结构体UnityGIInput (在UnityLightingCommon.cginc中) 保存着计算GI所需的其他不同信息，被用于许多函数中
• 函数UNITY_BRDF_GI (在UnityPBSLighting.cginc中) 在fragForwardBaseInternal 中用于计算对BRDF的间接贡献（通过调用BRDF_Unity_Indirect）
• 函数BRDF_Unity_Indirect(在UnityPBSLighting.cginc中）将UNITY_BRDF_PBS_LIGHTMAP_INDIRECT 的结果与传入的colour相加
• 函数UNITY_BRDF_PBS_LIGHTMAP_INDIRECT (在UnityPBSLighting.cginc中) 被定义为BRDF2_Unity_PBS (但一条注释说也可以使用BRDF1_Unity_PBS ，以获得更佳质量)
• 函数BRDF2_Unity_PBS 或BRDF1_Unity_PBS，我们在前面一节中见过。这里用于计算间接贡献
• 函数FragmentGI (在UnityStandardCore.cginc中) 填充必要的数据，包括来自反射探针的数据，然后传递给UnityGlobalIllumination
• 函数UnityGlobalIllumination：(4个版本，不同的签名)传递数据给UnityGI_Base 和UnityGI_IndirectSpecular
• 函数UnityGI_Base(在UnityGlobalIllumination.cginc中)对光照贴图进行采样和解码，混合实时衰减和应用遮蔽
• 函数UnityGI_IndirectSpecular(在UnityGlobalIllumination.cginc中)，计算反射，对盒型投影进行矫正（如果已激活），应用遮蔽

对于了解全貌同样有用的东西：

• 结构体UnityIndirect(在UnityLightingCommon.cginc中) 仅包含一个漫反射和一个镜面反射颜色
• 结构体UnityLight(在UnityLightingCommon.cginc中)保存光源的颜色、方向和NdotL
• 纹理立方体unity_SpecCube0 和unity_SpecCube1: 反射探针
• 结构体Unity_GlossyEnvironmentData: 保存粗糙度和反射UV
• 函数ResetUnityGI: 清空一个UnityGI结构体
• 函数ResetUnityLight: 清空一个UnityLight 结构体
• 函数ShadeSHPerPixel: 对每个像素进行Spherical Harmonics采样

这些知识应该已足以让你在修改标准着色器时，不会意外的将全局光照玩坏。