【深入解析Unity PBR】：Shader中的光照模型完全指南

 # 1. PBR基础和Unity中的实现 PBR（Physically-Based Rendering）技术是现代计算机图形学中一种流行的渲染方法，它通过模拟现实世界的材质和光照，实现更为逼真的图像效果。在Unity中，PBR通过内置的HDRP（High Definition Render Pipeline）或URP（Universal Render Pipeline）得到了广泛的支持和应用，这使得开发者可以较为简单地利用PBR技术提升游戏和应用的视觉效果。 Unity中的PBR渲染引擎包含了对复杂光照模型的支持，例如环境光照、漫反射、镜面反射以及菲涅尔效应。通过调整材质的金属度和粗糙度参数，开发者能够在现实与风格化之间找到平衡点，创造出既真实又具有艺术感的视觉效果。 本章节将介绍PBR的基础概念，并详细探讨如何在Unity中进行PBR效果的实现。我们会逐步深入理解PBR的各个方面，并且指导如何运用Unity提供的资源和工具达到理想的视觉效果。通过本章的学习，读者将掌握PBR的基础知识，并能将其应用于Unity项目中，为后续章节的深入学习打下坚实的基础。 # 2. Unity PBR的物理基础 ## 2.1 PBR理论概念解析 ### 2.1.1 材质的微面理论 微面理论是PBR渲染技术中的基石，它假设物体表面由许多微小的平面组成，这些平面的法线方向是随机分布的。这些微小平面的集合反映了物体表面微观结构的复杂性。在微观尺度上，每个面片仅能反射光线到特定的方向，这解释了为何不同角度下材质会呈现出不同的光泽感和反射特性。 在Unity中，这种微观结构是通过粗糙度贴图来模拟的，粗糙度值越低，表面越光滑，反射越清晰；粗糙度越高，表面越粗糙，反射越模糊。这种微面理论在渲染引擎中的应用，使材质更贴近现实世界的物理特性。 ### 2.1.2 能量守恒原理 在PBR渲染中，能量守恒原理是指入射光能量的总和不会超过反射光能量。这意味着，在现实世界中，材质无法反射出比其接收的光线更多的光线。这一原理避免了材质表面出现不真实的高亮区域，确保了材质在光照下的表现更加自然和符合物理规律。 在编写PBR Shader时，能量守恒原理要求我们在计算镜面反射强度时，不能让材质反射出超过正常范围的亮度，通常需要调整镜面反射的颜色和强度，确保其满足能量守恒。 ## 2.2 光照模型的物理要素 ### 2.2.1 环境光照与漫反射 环境光照在PBR中表现为无处不在的弱光线，它影响了物体表面即使在没有直接照明的区域也能看见。它通常来源于周围的环境，例如天空光、间接光照等。漫反射指的是光线均匀地从表面散射开来，它不依赖于观察角度，仅与材质的漫反射颜色和入射光的角度有关。 在Unity中，环境光照通常是通过设置Skybox或者使用光照探针（Light Probes）来模拟。而漫反射则由材质贴图直接控制，通过Shader来计算，漫反射颜色和光照强度是影响材质最终色彩的重要因素。 ### 2.2.2 镜面反射与菲涅尔效应 镜面反射是材质表面反射出清晰光斑的物理现象，根据观察角度和光线入射角度的不同，反射的效果也会不同。菲涅尔效应描述了光线在不同角度入射到材质表面时反射比例的变化，比如在正对表面时反射比例较低，而在边缘角度较大时反射比例会增加。 Unity中的PBR Shader需要精确模拟这些效果，使用物理上正确的模型来计算反射，同时采用菲涅尔方程来调整反射的强度。这样可以在不同视角下提供更加真实的视觉体验。 ## 2.3 材质参数与现实世界的关系 ### 2.3.1 金属度和粗糙度的现实对应 在PBR中，金属度（Metallic）和粗糙度（Roughness）是两个核心参数。金属度决定了材质表面是像金属那样导电（会反射光线），还是像其他材料那样非导电（不会反射光线）。粗糙度则控制了材质表面微观结构的粗糙程度，影响着反射光线的分布。 这些参数在现实世界中有着直接的对应关系，金属度参数接近1时，材质表现得像金属那样反射光线；接近0时，像非导体（如塑料、木头等）。粗糙度参数直接决定了表面反射的清晰程度，粗糙度高则反射模糊，低则清晰。 ### 2.3.2 材质的高光与细节对比 高光（Specular Highlights）是材质表面对于光线反射的直接效果，体现了材质的光泽度和细节对比。PBR材质中的高光是由金属度和粗糙度共同决定的。金属度越高，材质的高光通常越强，而粗糙度则决定了高光的扩散程度。 在Unity的PBR材质编辑器中，可以通过调节这些参数来观察材质的高光变化。比如，调整金属度可以使得材质表面的反射颜色更接近于材质本身的颜色，而调整粗糙度则会让高光变得更宽泛或更加集中。 ```mermaid graph TD A[金属度接近1] -->|高光更强| B[类似金属的表面] A -->|反射色接近| C[反射光线颜色与材质接近] D[粗糙度高] -->|高光扩散| E[粗糙表面] D -->|模糊反射| F[不清晰的反射细节] ``` 在实现时，Shader开发者需使用到符合物理规律的公式来确保高光的正确性，例如Schlick公式来近似计算菲涅尔效应。 ```csharp float schlickFresnel(float cosine, float metallic) { // ... 这里省略了具体的计算公式 ... } ``` 此代码段展示了如何根据光线入射角和金属度计算菲涅尔效应的近似值。`cosine` 代表了视角与反射方向的余弦值，`metallic` 代表了材质的金属度。这样的计算结果用于调整最终的反射亮度和颜色。 通过合理的调节这些参数，可以大幅提升材质的真实感，让虚拟世界中的物体更加贴近现实世界中的材质表现。 # 3. Unity PBR Shader编程实践 在三维计算机图形学中，Shader编程是实现视觉效果的关键环节。尤其是对于基于物理的渲染（Physically Based Rendering，PBR）而言，Shader编程不仅涉及到视觉效果的实现，还涉及到对物理概念的准确建模。在Unity环境下，PBR Shader的编写与优化是提升游戏及视觉模拟项目质感和真实感的重要手段。 ## 3.1 Shader语言基础 ### 3.1.1 Shader语言的语法结构 Shader语言，尤其是HLSL（High-Level Shading Language）和GLSL（OpenGL Shading Language），是用于编写图形渲染程序的高级语言。掌握其语法结构是编写PBR Shader的第一步。 在Unity中，Shader代码通常写在`.shader`文件中。一个基本的Shader由属性（Properties）、子着色器（SubShaders）和全局包含（Global Includes）三部分构成。 ```hlsl Shader "Custom/PBRShader" { Properties { _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {} // ... 其他属性 } SubShader { // ... Shader代码 } // ... 可能包含的FallBack和其他子着色器 } ``` 在这个基本结构中，`Properties`块定义了Shader的用户可调节参数，而`SubShader`块则是包含实际渲染逻辑的地方。每一个`SubShader`块都定义了一个渲染的路径，可以有多个`SubShader`块来适应不同级别的硬件。 ### 3.1.2 Shader中的光照和视角处理 在PBR Shader中，光照模型的实现是核心内容之一。光照模型包括直接光照和间接光照的计算，需要处理材质属性如反照率、粗糙度、金属度等，并结合光照条件计算最终像素的颜色。 ```hlsl fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - IN.worldPos.xyz); fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - IN.worldPos.xyz); fixed3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir); ``` 上述代码段显示了如何在HLSL中计算光照方向和视角方向，以用于镜面反射和高光计算。 ## 3.2 PBR Shader的关键代码分析 ### 3.2.1 环境光照和漫反射的实现 环境光照（Ambient Light）和漫反射（Diffuse Reflection）是PBR Shader的基本组成部分。环境光照一般用简单的常数或环境贴图来表示，而漫反射则由光照方向、法线和材质属性决定。 ```hlsl // 环境光照和漫反射的计算 fixed3 ambient = unity_AmbientSky.rgb; fixed3 diffuse = max(dot(IN.normal, lightDir), 0.0) * _LightColor0.rgb * _MainTex.rgb; ``` 在上述代码中，`_LightColor0.rgb`代表光源颜色，`_MainTex.rgb`是材质贴图，`dot(IN.normal, lightDir)`计算法线与光线方向的点积，作为漫反射系数。 ### 3.2.2 镜面反射的实现方法 镜面反射（Specular Reflection）是决定材质光泽和反光强度的关键因素。在PBR Shader中，常见的镜面反射模型包括Cook-Torrance模型。 ```hlsl // Cook-Torrance镜面反射模型 fixed3 specular = _LightColor0.rgb * pow(max(dot(reflect(-lightDir, IN.normal), viewDir), 0.0), _Glossiness); ``` 这里的`_Glossiness`是一个材质属性，表示镜面反射的锐利程度。`reflect`函数计算反射方向，而`pow`函数用来模拟镜面反射随视角变化的衰减。 ## 3.3 自定义PBR Shader的实例 ### 3.3.1 简单自定义PBR Shader编写 为了加深对Shader编程的理解，我们可以创建一个简单的自定义PBR Shader。以下是一个基本的PBR Shader的框架： ```hlsl Shader "Custom/SimplePBRShader" { Properties { _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {} // ... 其他PBR相关属性 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 200 CGPROGRAM // ... Shader代码 ENDCG } // ... 可能的FallBack } ``` 在这个Shader中，我们将包含基础的漫反射和镜面反射，并且通过属性暴露给用户进行调整。 ### 3.3.2 高级特性与优化技巧 在实现简单PBR Shader的基础上，可以进一步添加一些高级特性，例如环境光遮蔽（Ambient Occlusion），位移贴图（Displacement Mapping）等，来提高材质的逼真度。 优化技巧方面，可以利用Unity的ShaderLab语言提供的特性，比如LOD（Level of Detail）系统来根据视距动态加载不同的Shader，减少渲染负担。 ```hlsl LOD 100 FallBack "Diffuse" ``` 上述代码段展示了如何在Shader中设置LOD等级和定义FallBack，这是在保证视觉效果的前提下优化性能的关键步骤。 ```mermaid graph TD A[开始Shader编写] --> B[定义属性] B --> C[编写SubShader] C --> D[处理光照和视角] D --> E[实现环境光照和漫反射] E --> F[实现镜面反射] F --> G[添加高级特性和优化] G --> H[结束Shader编写] ``` 通过上述流程图可以看出，从Shader编写的开始到结束，涉及到多个环节，每个环节都紧密相关并遵循一定的逻辑顺序。 通过本章节的介绍，读者应该对Unity中PBR Shader的编写有了基本的了解，并能够实现一个基础的PBR Shader。在后续的章节中，我们将深入探讨PBR在Unity中的高级应用和优化策略。 # 4. Unity PBR工作流程与案例分析 ## 4.1 Unity项目中PBR的工作流程 在现代3D图形开发中，PBR（Physically Based Rendering）已成为实现真实感渲染的标配。Unity引擎对PBR提供了广泛的支持，这使得创建高品质的视觉效果更加容易。PBR工作流程涉及从设计到实现的各个阶段，而本节将深入探讨这一工作流程，并介绍PBR材质的创建与管理。 ### 4.1.1 从设计到实现的完整步骤 创建一个令人信服的PBR材质并不简单，需要对设计的视觉效果有深刻的理解。以下是创建PBR材质的几个关键步骤： 1. **理解项目需求**： - 开始之前，首先要明确项目需求以及材质的最终用途。这包括场景的光照条件、目标平台的性能要求以及预期的视觉风格。 2. **获取或创建纹理资源**： - PBR材质依赖于高质量的纹理，包括漫反射贴图（Albedo）、金属度贴图（Metallic）、粗糙度贴图（Roughness）、法线贴图（Normal）和高度贴图（Height）等。 - 有些纹理可以购买现有的资源包，或者从实际物体拍摄照片并进行编辑，亦或者使用3D软件创建。 3. **导入和设置纹理**： - 将纹理导入Unity项目，并在Unity的材质编辑器中分配给相应的纹理槽。 4. **调整材质参数**： - 根据需要调整金属度、粗糙度参数以及可能的其他材质属性，例如高光、细节对比等。 5. **光照和环境设置**： - 创建合适的光照环境来配合PBR材质。PBR要求的光照更为复杂，建议使用HDRI贴图或者多个光源共同作用来模拟现实光照。 6. **测试和微调**： - 在场景中测试材质的表现，根据反馈对材质参数、光照和材质设置进行微调，直到达到满意的视觉效果。 ### 4.1.2 PBR材质的创建与管理 在Unity中创建PBR材质的一个关键环节是高效管理。以下是创建和管理PBR材质的一些最佳实践： - **使用标准材质**： - Unity提供了内置的标准表面（Standard Surface）着色器，它是实现PBR效果的基础。 - 为每个模型创建一个材质，并使用标准材质。 - **建立统一的材质库**： - 为不同类型的材质（如金属、塑料、布料等）建立预设，以便快速应用和调整。 - **使用预设（Presets）和材质实例**： - 通过材质预设保存特定的设置，便于在不同项目间重用。 - 使用材质实例确保对材质所做的更改不会影响到其他使用相同预设的实例。 - **考虑动态资源**： - 当涉及到动态生成的物体时，考虑使用程序化材质（Procedural Materials）来优化性能。 - **定期维护**： - 定期回顾和更新材质库，以反映最新的技术标准和项目需求。 ## 4.2 PBR在不同场景中的应用案例 PBR在不同类型的场景中有着广泛的应用。了解如何在特定类型的场景中正确应用PBR材质，对于创建高品质的视觉效果至关重要。 ### 4.2.1 硬表面材质（如金属和石材） - **金属**： - 金属材质在PBR中是相对直观的，关键在于模拟其高光反射和色彩饱和度。 - 金属材质通常具有高反射率，低粗糙度，并且金属度（Metallic）参数设置接近100%。 - **石材**： - 石材这类材质通常有着较为粗糙的表面，因此在PBR材质中会设置较高的粗糙度值。 - 其金属度参数通常较低，意味着石材表面不具有金属般的高光反射。 ### 4.2.2 有机材质（如皮肤和木材） - **皮肤**： - 人类皮肤的PBR材质非常复杂，因为皮肤具有透明性和次表面散射（SSS）效果。 - 皮肤材质的漫反射贴图通常需要非常细腻，而且表面通常会有一个薄的高光层，以模拟皮肤的自然光泽。 - **木材**： - 木材通常具有一些木纹细节，因此法线贴图在模拟木材材质中起到重要作用。 - 粗糙度可以帮助区分不同种类的木材和表面处理（如抛光或未处理）。 ## 4.3 PBR技术的扩展应用 PBR技术不仅局限于传统的渲染，还可以扩展应用于模拟现实世界中环境变化的影响，以及创建特殊的视觉效果。 ### 4.3.1 时间或季节变化的影响 季节变化可以通过调整PBR材质属性来模拟。例如： - **春天**： - 绿色植物会增加，场景中漫反射贴图中的绿色部分更加突出。 - 使用较亮的阳光和更清晰的阴影来体现春天的温暖和活力。 - **秋天**： - 树叶变黄，可以通过调整漫反射贴图中的颜色来实现。 - 阴影更加柔和，反射光更加暖色调，以体现季节性的光色变化。 ### 4.3.2 特殊效果的实现（如辉光、法线映射） PBR技术还允许开发者实现一些特殊效果，以增强视觉体验。 - **辉光（Glow）**： - 辉光效果可以添加到光源或材质中，通过Post Processing Stack中的Bloom效果来实现。 - 设置材质的Emission属性，使其发光。 - **法线映射（Normal Mapping）**： - 法线贴图用于在不增加额外几何细节的情况下，模拟复杂表面的细节。 - 在PBR材质中，将法线贴图应用于物体表面，产生凹凸感。 以下是通过代码块、mermaid流程图和表格等方式对上述内容的进一步详细阐述和分析。 ### 代码块展示 在Unity中，PBR材质的创建可以通过编写C#脚本并使用Unity的API来实现自动化。下面是一个简单的示例，展示了如何在Unity中创建和配置一个标准PBR材质。 ```csharp using UnityEngine; using UnityEditor; public class CreatePBRMaterial : EditorWindow { Material newMaterial; [MenuItem("Assets/Create PBR Material")] static void CreateMaterial() { CreatePBRMaterial window = (CreatePBRMaterial) GetWindow(typeof(CreatePBRMaterial)); window.titleContent = new GUIContent("Create PBR Material"); window.Show(); } private void OnGUI() { if (GUILayout.Button("Create Standard Surface Material")) { // Create a new material newMaterial = new Material(Shader.Find("Standard")); // Assign basic properties newMaterial.SetFloat("_Metallic", 0.0f); // Non-metallic by default newMaterial.SetFloat("_Glossiness", 0.5f); // Medium glossiness // Assign the material to the selected object GameObject selectedGameObject = Selection.activeGameObject; if (selectedGameObject != null) { Renderer renderer = selectedGameObject.GetComponent<Renderer>(); if (renderer != null) { renderer.sharedMaterial = newMaterial; } } } } } ``` 该脚本在Unity编辑器中添加了一个菜单项，允许用户通过点击按钮创建一个新的标准表面材质，并将其应用于当前选中的GameObject的渲染器组件。 ### 逻辑分析与参数说明 - 在这段脚本中，我们使用了`Material`类和`Shader.Find`方法来创建一个新的材质实例。`Shader.Find`用于查找指定的着色器名称，这里使用的是Unity内置的“Standard”着色器，它是标准表面着色器的名称。 - 我们设置了材质的`_Metallic`和`_Glossiness`属性，这两个属性在标准表面着色器中非常关键。`_Metallic`用于控制材质的金属感，取值范围从0到1；`_Glossiness`代表材质的光滑程度，也叫反光度。 - 最后，我们通过检查当前选中的GameObject是否具有`Renderer`组件，并在存在的情况下将新创建的材质赋值给它，实现材质的应用。 ### Mermaid流程图展示 Mermaid 是一种图表工具，可以通过文本描述来生成流程图和其他类型的图表。以下是一个示例流程图，展示了使用脚本创建PBR材质的整个工作流程。 ```mermaid graph TD A[开始] --> B{点击创建材质按钮} B --> C[实例化Material类] C --> D[查找Standard着色器] D --> E[设置材质属性] E --> F{选中GameObject} F --> G{检查Renderer组件} G --> |存在| H[应用新材质] G --> |不存在| I[不应用材质] H --> J[结束] I --> J ``` 这个流程图简明地展示了脚本在用户交互下创建并应用材质的逻辑步骤。 ### 表格展示 通过表格，我们可以总结出不同PBR材质类型的关键参数和特征： | 材质类型 | 金属度(Metallic) | 粗糙度(Roughness) | 高光(Albedo) | 特征 | |--------|-----------------|------------------|-------------|------| | 金属 | 接近1 | 低 | 不饱和 | 反射强 | | 塑料 | 低 | 中 | 饱和 | 反射中等 | | 皮肤 | 低 | 高 | 亮白色 | 透明性 | | 石材 | 低 | 高 | 不饱和 | 表面粗糙 | | 木材 | 低 | 中 | 暗色 | 木纹明显 | 这个表格帮助我们快速理解不同材质的PBR属性设置及其视觉效果。 通过对本章节内容的详细阐述，我们能够更深入地理解Unity中PBR的工作流程、应用案例以及如何在不同场景中合理地利用和扩展PBR技术，从而提高3D图形的真实感和表现力。 # 5. Unity PBR进阶技巧和优化 ## 5.1 高级光照技术的结合使用 ### 5.1.1 全局光照（Global Illumination）与PBR的结合 PBR与全局光照的结合可以产生更为真实和动态的场景效果。全局光照技术旨在捕捉场景中光线如何在不同表面间反射和折射，以此提供更为真实的光照效果。 在Unity中，全局光照可以通过烘焙（Baking）或实时计算来实现。使用烘焙技术，可以预先计算并存储光照信息，提高运行时的性能。实时全局光照（如使用Unity的光照探针和环境光遮蔽）则能在运行时动态计算光照，提供更为丰富和动态的视觉体验。 代码和配置示例： ```csharp // 开启实时光照 QualitySettings的真实时间GI = true; // 在光照探针组件中配置探针位置和烘焙效果 LightingSettings lightingSettings = new LightingSettings(); lightingSettings.realtimeGI = true; lightingSettings.bakedGI = true; Lightmapping.SetLightingSettings(lightingSettings); ``` ### 5.1.2 实时阴影与PBR效果的融合 阴影对于增强3D场景的真实感至关重要。在PBR中，正确处理实时阴影，可以大大提升材质的深度感和立体感。 Unity提供了多种阴影处理技术，如阴影贴图、级联阴影映射等，可以配合PBR材质实现逼真的阴影效果。需要留意的是，阴影的精细程度和性能之间的平衡是重点。 ```csharp // 设置阴影的详细参数 Renderer renderer = GetComponent<Renderer>(); renderer.shadowCastingMode = ShadowCastingMode.On; renderer.receiveShadows = true; renderer.shadowBias = new Vector3(0.05f, 0.05f, 0.05f); ``` ## 5.2 性能优化与资源管理 ### 5.2.1 LOD技术在PBR中的应用 LOD（Level of Detail）技术用于在物体距离摄像机不同远近时，动态切换不同的模型复杂度。在PBR中，通过LOD技术，可以在保持视觉效果的同时减少渲染负担。 Unity提供了LOD Group组件，允许开发者为同一物体设置多个LOD级别，以及相应的剔除距离阈值。 ```csharp // 创建LOD组，并为不同距离指定模型 LODGroup lodGroup = gameObject.AddComponent<LODGroup>(); lodGroup.SetLOD(0, new LOD(0.6f, lod0MeshRenderer)); // 高质量细节 lodGroup.SetLOD(1, new LOD(0.4f, lod1MeshRenderer)); // 中等质量细节 lodGroup.SetLOD(2, new LOD(0.2f, lod2MeshRenderer)); // 低质量细节 ``` ### 5.2.2 材质和光照优化的最佳实践 在Unity中进行材质和光照优化，需要考虑多个方面： - 减少高复杂度PBR材质的使用，使用简单的材质替代或合并。 - 合理利用光照探针和反射探针减少动态光源数量。 - 对于复杂的场景，考虑使用光照贴图来减少实时计算的负荷。 此外，还需要对纹理大小进行优化，避免过高的纹理分辨率造成不必要的内存占用。 ## 5.3 深入探讨PBR的未来趋势 ### 5.3.1 实时渲染技术的发展对PBR的影响 随着硬件性能的提升和渲染技术的创新，实时渲染技术正变得越来越强大。PBR技术也随着实时渲染的发展，逐渐实现了更加复杂和细腻的视觉效果，如次表面散射（SSS）效果的实现。 ### 5.3.2 PBR与其他新技术（如光线追踪）的结合前景 光线追踪（Ray Tracing）是另一项提升渲染质量的关键技术，能够提供更加精确的光路模拟和阴影表现。随着光线追踪在实时渲染中逐渐普及，PBR结合光线追踪成为了新的行业趋势，可预见未来渲染效果将更加逼真。 ```csharp // 开启光线追踪效果示例 GraphicsSettings.useRayTracing = true; ``` 通过以上介绍，可以看到Unity PBR技术在进阶技巧和优化方面有着广泛的发展空间和实践价值。接下来，开发者可以根据这些技巧，结合具体项目需求进行实践和探索。