Unity5着色器系统代码介绍(下)

发表于2018-02-26
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Unity5着色器系统代码介绍(上)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。
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:
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:
#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:
// 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:
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。
half3 halfDir = Unity_SafeNormalize (light.dir + viewDir);

half向量。

正确处理NdotV(查看文件中的注释):
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:
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:
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:
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:
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:
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。
来自:http://forum.china.unity3d.com/thread-25738-1-10.html

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