PBR个人学习总结

最新推荐文章于 2023-11-13 00:41:00 发布

东风吹醒梦中人

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文章标签： unity 着色器图形渲染技术美术游戏引擎

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/adongblogcom/article/details/130101026

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本文是作者关于PBR的学习总结，涵盖了漫反射和镜面反射的原理、公式、效果展示及代码实现，涉及Unity的Disney Diffuse函数、法线分布函数(NDF)、菲涅尔方程和几何遮蔽函数。通过示例模型展示了各参数对最终效果的影响，适合技术美术和游戏引擎开发者参考。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

本文主要是把个人学习的PBR经验做个小总结，便于理清思路与复习，如果能帮助到您的话那也是荣幸之至，如果发现有不对的地方，请大佬们加以指正。

所涉及到的PBR知识主要是BXDF中最简单也是最为常用的双向反射分布函数（Bidrectional Beflectance Distribution Function，BRDF）类型，BRDF搞明白之后，其它的如BTDF、BSDF、BSSRDF也就有了基础。

本文有关各种原理不做详细的赘述，可以自行找各位大佬们的精彩文章或视频去深入，在此只做简要的阐述，请见谅。

一、 PBR知识体系架构图

认识PBR前，还是一定要多熟悉这个架构图，对于理清各分支细节有很大的好处，特别是刚接触容易迷惑之时。

上图是自己绘制的比较简版的架构图，详细的PBR架构图请可以去下载查看[1]

清晰了上图的架构之后，就可以按各分支详细分解了。

几个分支组合之后的效果如下：

二、资源列表

示例模型为网上下载的一个复古电脑，仅1920个三角面的低模，等有时间了再自己做一个高模的示例模型吧。

贴图有5张： Albedo基本色贴图、自发光贴图、金属度贴图、粗糙度贴图、法线贴图、以及AO遮挡贴图。

Properties属性内容

在面板中Option添加了几大分支的开关与选择项，在编写时便于调试使用。

Shader代码片段：

Properties
    {
        _DiffuseColor("DiffuseColor",Color)=(1,1,1,1)
        [Space(10)]_MainTex ("BaseTexture", 2D) = "white" {}
        [NoScaleOffset]_BumpMap("BumpMap",2D)="white"{}
        _BumpScale("BumpScale",Range(0,1))=1

        [Space(20)]
        [NoScaleOffset]_MetallicTex("MetallicTex",2D)="white"{}
        _MetallicScale("MetallicScale",Range(0.0,1.0))=0.0
        [NoScaleOffset]_RoughnessTex("RoughnessTex",2D)="white"{}
        _RoughnessScale("RoughnessScale",Range(0,1))=0.5

        [Space(20)] [NoScaleOffset]_OcclusionTex("OcclusionTex",2D)="white"{}
        _OcclusionScale("OcclusionScale",Range(0,1))=1

        [Space(10)] [NoScaleOffset]_EmssionTex("EmssionTex",2D)="white"{}
        [HDR]_EmissionColor("EmissionColor",Color)=(1,1,1)

        [Header(Aniso)]
        [Space(10)]
        [KeywordEnum(None,GTR2,GGX)] _ANISO("AnisoType",float)=0

        _Aniso("Aniso",Range(0,1))=0
        _AnisoOffset("AnisoOffset",Range(-10,10))=0
        _AnisoRoat("AnisoRoat",Range(-10,10))=0
        // [Space(10)] _ClearCoat("ClearCoat",Range(0,1))=0
        [Header(Option)]
        [Space(10)]
        [Toggle] _IS_AMBIENT("自发光",float)=1
        [Toggle] _IS_DIFFUSE("漫反射",float)=1
        [Toggle] _IsSpecular("镜面反射",float)=1
        [KeywordEnum(None,GGXTerm,GTR1,GTR2,GND)] _UIDNF("法线分布 D项",float)=0
        [KeywordEnum(None,Unity,Schlick,SG)] _UIF("菲涅尔 F项",float)=0
        [KeywordEnum(None,Filament,GGX,GSF,Beckman)] _UIG("几何遮蔽 G项",float)=0
        [Toggle] _ISIBL("环境光照",float)=1
    }

Pass中需要引入与Shader文件同目录的自定义的文件： #include "Pbr_Function.cginc"

三、漫反射项

3.1漫反射和镜面反射

先从漫反射和镜面反射开始，当灯光照射一个标准的BRDF材质时可以拆分成两部分：漫反射+镜面反射，如下图可以有一个很直观的了解。

在BRDF模型下，L为灯光照射时表面的漫反射（绿色）和镜面反射（蓝色）的示意图（图来源网络）

3.2公式

漫反射项使用的是Unity内置的Disney Diffuse函数。

$f_d=\frac{baseColor}{\pi}(1+(F_{D90}-1)(1-cos\theta_l)^5)(1+F_{D90}-1)(1-cos\theta_v)^5)$

$F_{90}=0.5+2\times roughtness \times cos^2 \theta_d$

3.3效果展示

3.4 相关代码

以下为UnityShader中内置的Disney Diffuse代码部分。

inline half Diffuse_Disney(half NdotV, half NdotL, half LdotH, half perceptualRoughness)
{
    half fd90 = 0.5 + 2 * LdotH * LdotH * perceptualRoughness;
    // Two schlick fresnel term
    half lightScatter   = (1 + (fd90 - 1) * Pows5(1 - NdotL));
    half viewScatter    = (1 + (fd90 - 1) * Pows5(1 - NdotV));
    return lightScatter * viewScatter;
}
inline half Pow5 (half x){
    return x*x * x*x * x;
}

Pow5这个方法，有一维到四维，但为什么不直接用pow函数，而是使用相同的量相乘5次，其在文中也有说到其两个好处：