Thinking in Unity3D：基于物理着色（PBS）的材质系统

关于《Thinking in Unity3D》

笔者在研究和使用Unity3D的过程中，获得了一些Unity3D方面的信息，同时也感叹Unity3D设计之精妙。不得不说，笔者最近几年的引擎研发工作中，早已习惯性的从Unity3D中寻找解决方案。

Unity3D虽比不上UE那么老练沉稳，气势磅礴。也比不上CE那样炫丽多姿，盛气凌人。但它的发展势如破竹，早已遍地生花！故而在此记录一些自己的心得体会，供大家参详交流。若有欠妥之处，还望各位及时指正。

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

什么是PBS

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。

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。

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。

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。

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。

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

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

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。

物体的由粗糙到光滑的光线反射情况

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

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

更多细节请看官方文档：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

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

更多细节请看官方文档：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。

Occlusion Map示例

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。

更多细节请看官方文档：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

更多细节请看官方文档：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。

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。

更多细节请看官方文档：http://docs.unity3d.com/Manual/StandardShaderFresnel.html

来去如风

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。

整体参考文档地址：http://docs.unity3d.com/Manual/shader-StandardShader.html