|
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。
[C#] 纯文本查看 复制代码
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：
[C#] 纯文本查看 复制代码
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：
[C#] 纯文本查看 复制代码
#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：
[C#] 纯文本查看 复制代码
//
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：
[C#] 纯文本查看 复制代码
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。
[C#] 纯文本查看 复制代码
half3
halfDir = Unity_SafeNormalize (light.dir + viewDir);
|
half向量。
正确处理NdotV（查看文件中的注释）：
[C#] 纯文本查看 复制代码
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：
[C#] 纯文本查看 复制代码
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：
[C#] 纯文本查看 复制代码
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：
[C#] 纯文本查看 复制代码
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:
[C#] 纯文本查看 复制代码
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:
[C#] 纯文本查看 复制代码
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。
|