Unity引擎开发：VR渲染技术_（7）.基于物理的渲染在VR中的应用

基于物理的渲染在VR中的应用

基于物理的渲染（Physically Based Rendering, PBR）技术在虚拟现实（VR）中的应用越来越广泛，它能够模拟现实世界中的光线和材质特性，为VR场景带来更加真实和沉浸的视觉效果。在Unity引擎中，PBR技术已经被广泛集成，开发者可以通过简单的配置和编程来实现高质量的渲染效果。本节将详细介绍如何在Unity引擎中应用PBR技术，包括材质的设置、光照模型的选择以及性能优化等方面。

PBR基础概念

基于物理的渲染技术的核心是通过物理模型来模拟光线与材质表面的交互。PBR技术主要包括两个部分：光照模型和材质模型。

光照模型

光照模型决定了光线如何在材质表面反射、折射和散射。常用的光照模型包括：

• Lambertian反射模型：用于模拟漫反射表面，光线在表面均匀散射。

• Ggx反射模型：用于模拟镜面反射表面，光线在表面集中反射，适合金属和光滑表面。

• Blinn-Phong反射模型：结合了Lambertian和镜面反射，适用于多种表面类型。

材质模型

材质模型定义了材质的物理属性，包括：

• 漫反射颜色（Albedo）：材质的基本颜色。

• 金属度（Metallic）：材质的金属属性，0表示非金属，1表示金属。

• 光滑度（Smoothness））：材质表面的光滑程度，0表示粗糙，1表示光滑。

• 法线贴图（Normal Map）：用于模拟表面细节，增加材质的视觉复杂性。

• 高光贴图（Specular Map）：定义镜面反射的强度和分布。

• AO（Ambient Occlusion）贴图：模拟环境光遮蔽效果，增加材质的层次感。

在Unity中设置PBR材质

在Unity中，设置PBR材质非常简单。你可以通过Unity的材质编辑器来配置这些属性。以下是一个简单的步骤示例：

1. 创建材质：

   • 在Unity的Project视图中右键点击，选择Create > Material。

   • 命名你的材质，例如PBR_Metallic_Material。

2. 设置材质属性：

   • 选择你创建的材质，进入Inspector视图。

   • 在Shader下拉菜单中选择Standard，这是Unity的PBR标准材质。

   • 设置Albedo颜色，例如 (0.5, 0.5, 0.5)。

   • 设置Metallic值，例如 1.0 表示纯金属。

   • 设置Smoothness值，例如 0.5 表示中等光滑度。

   • 你可以添加法线贴图和AO贴图来增加材质的细节。

代码示例：动态设置PBR材质

在某些情况下，你可能需要通过脚本动态设置材质属性。以下是一个简单的C#脚本示例，展示如何在运行时修改材质的PBR属性：

using UnityEngine;



public class DynamicPBRMaterial : MonoBehaviour

{

    public Material material; // 引用材质

    public Color albedoColor; // 漫反射颜色

    public float metallic; // 金属度

    public float smoothness; // 光滑度

    public Texture normalMap; // 法线贴图

    public Texture aoMap; // AO贴图



    void Start()

    {

        // 检查材质是否为空

        if (material == null)

        {

            Debug.LogError("Material is not assigned.");

            return;

        }



        // 设置漫反射颜色

        material.color = albedoColor;



        // 设置金属度

        material.SetFloat("_Metallic", metallic);



        // 设置光滑度

        material.SetFloat("_Glossiness", smoothness);



        // 设置法线贴图

        if (normalMap != null)

        {

            material.SetTexture("_BumpMap", normalMap);

        }



        // 设置AO贴图

        if (aoMap != null)

        {

            material.SetTexture("_OcclusionMap", aoMap);

        }

    }

}

例子描述

• material：引用你在Unity中创建的PBR材质。

• albedoColor：设置材质的基本颜色。

• metallic：设置材质的金属属性。

• smoothness：设置材质表面的光滑程度。

• normalMap：添加法线贴图来模拟表面细节。

• aoMap：添加AO贴图来模拟环境光遮蔽效果。

PBR光照模型的选择

在Unity中，你可以选择不同的光照模型来适应不同的场景需求。常用的光照模型包括：

• 标准表面着色器（Standard Surface Shader）：适用于大多数情况，提供了丰富的PBR功能。

• 前向渲染着色器（Forward Rendering Shader）：适用于需要高级光照效果的场景，性能较高。

• 延迟渲染着色器（Deferred Rendering Shader）：适用于需要大量光源的场景，性能较低但支持更多光源。

代码示例：切换光照模型

以下是一个C#脚本示例，展示如何在运行时切换材质的光照模型：

using UnityEngine;



public class SwitchLightingModel : MonoBehaviour

{

    public Material material; // 引用材质

    public string forwardShaderName = "Standard"; // 前向渲染着色器名称

    public string deferredShaderName = "Standard (Deferred)"; // 延迟渲染着色器名称



    void Update()

    {

        // 检查材质是否为空

        if (material == null)

        {

            Debug.LogError("Material is not assigned.");

            return;

        }



        // 通过按键切换光照模型

        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.F))

        {

            material.shader = Shader.Find(forwardShaderName);

            Debug.Log("Switched to Forward Rendering Shader.");

        }



        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.D))

        {

            material.shader = Shader.Find(deferredShaderName);

            Debug.Log("Switched to Deferred Rendering Shader.");

        }

    }

}

例子描述

• material：引用你在Unity中创建的PBR材质。

• forwardShaderName：前向渲染着色器的名称。

• deferredShaderName：延迟渲染着色器的名称。

• Update：在每一帧更新时检查按键输入，通过Shader.Find方法切换材质的着色器。

PBR材质的优化

在VR场景中，性能优化尤为重要。以下是一些常见的PBR材质优化技巧：

1. 优化纹理

• 压缩纹理：使用DXT、ETC或ASTC等压缩格式来减少纹理数据的大小。

• 降低纹理分辨率：在不影响视觉效果的前提下，适当降低纹理分辨率。

2. 使用LOD（Level of Detail）

• 创建LOD组：在GameObject上创建LOD组，根据距离动态切换不同的模型和材质。

• 减少多边形数量：对于远距离的物体，使用低多边形模型和简化材质。

3. 减少材质数量

• 使用材质实例：通过共享基础材质并创建材质实例来减少材质的数量。

• 合并材质：将多个相似的材质合并为一个，减少绘制调用。

代码示例：创建材质实例

以下是一个C#脚本示例，展示如何创建材质实例并动态修改其属性：

using UnityEngine;



public class MaterialInstance : MonoBehaviour

{

    public Material baseMaterial; // 基础材质

    public Color instanceColor; // 实例材质颜色

    public float instanceMetallic; // 实例材质金属度

    public float instanceSmoothness; // 实例材质光滑度



    void Start()

    {

        // 检查基础材质是否为空

        if (baseMaterial == null)

        {

            Debug.LogError("Base Material is not assigned.");

            return;

        }



        // 创建材质实例

        Material instanceMaterial = new Material(baseMaterial);



        // 设置实例材质属性

        instanceMaterial.color = instanceColor;

        instanceMaterial.SetFloat("_Metallic", instanceMetallic);

        instanceMaterial.SetFloat("_Glossiness", instanceSmoothness);



        // 将实例材质应用到Renderer

        Renderer renderer = GetComponent<Renderer>();

        if (renderer != null)

        {

            renderer.material = instanceMaterial;

        }

        else

        {

            Debug.LogError("Renderer is not found.");

        }

    }

}

例子描述

• baseMaterial：引用你在Unity中创建的基础PBR材质。

• instanceColor：设置实例材质的基本颜色。

• instanceMetallic：设置实例材质的金属属性。

• instanceSmoothness：设置实例材质表面的光滑程度。

• Start：在脚本启动时创建材质实例，并设置其属性，然后将其应用到当前GameObject的Renderer组件。

实时GI（Global Illumination）与PBR

实时全局光照（Global Illumination, GI）可以进一步增强PBR材质的效果。Unity提供了几种GI技术，包括：

• Light Probes：通过采样点来近似全局光照效果。

• Lightmaps：预先计算光照并存储在纹理中，适用于静态场景。

• Light Transport：实时计算全局光照，适用于动态场景。

代码示例：使用Light Probes

以下是一个C#脚本示例，展示如何在运行时将Light Probes应用到物体上：

using UnityEngine;



public class ApplyLightProbes : MonoBehaviour

{

    public LightProbes lightProbes; // 引用Light Probes



    void Start()

    {

        // 检查Light Probes是否为空

        if (lightProbes == null)

        {

            Debug.LogError("Light Probes are not assigned.");

            return;

        }



        // 获取Renderer组件

        Renderer renderer = GetComponent<Renderer>();

        if (renderer != null)

        {

            // 应用Light Probes

            renderer.lightProbeUsage = LightProbeUsage.BlendProbes;

            renderer.probeAnchor = transform;

        }

        else

        {

            Debug.LogError("Renderer is not found.");

        }

    }

}

例子描述

• lightProbes：引用你在Unity中创建的Light Probes。

• Start：在脚本启动时将Light Probes应用到当前GameObject的Renderer组件，LightProbeUsage.BlendProbes表示使用插值来近似光照效果，probeAnchor表示Light Probes的锚点。

PBR在VR中的特殊应用

在VR场景中，PBR技术可以带来更加沉浸的体验。以下是一些特殊的PBR应用：

1. VR中的高光效果

在VR中，高光效果可以显著提升物体的细节和真实感。你可以通过调整Smoothness值来控制高光的强度和分布。

2. 环境反射

环境反射可以模拟物体表面的反射效果，增强场景的真实感。Unity提供了Reflection Probes来实现环境反射。

代码示例：使用Reflection Probes

以下是一个C#脚本示例，展示如何在运行时将Reflection Probes应用到物体上：

using UnityEngine;



public class ApplyReflectionProbe : MonoBehaviour

{

    public ReflectionProbe reflectionProbe; // 引用Reflection Probe



    void Start()

    {

        // 检查Reflection Probe是否为空

        if (reflectionProbe == null)

        {

            Debug.LogError("Reflection Probe is not assigned.");

            return;

        }



        // 获取Renderer组件

        Renderer renderer = GetComponent<Renderer>();

        if (renderer != null)

        {

            // 应用Reflection Probe

            renderer.reflectionProbeUsage = ReflectionProbeUsage.BlendProbes;

            renderer.probeAnchor = transform;

        }

        else

        {

            Debug.LogError("Renderer is not found.");

        }

    }

}

例子描述

• reflectionProbe：引用你在Unity中创建的Reflection Probe。

• Start：在脚本启动时将Reflection Probe应用到当前GameObject的Renderer组件，ReflectionProbeUsage.BlendProbes表示使用插值来近似反射效果，probeAnchor表示Reflection Probe的锚点。

PBR与光照烘焙

光照烘焙（Light Baking）可以预先计算静态物体的光照效果，减少运行时的计算负担。在Unity中，你可以通过光照烘焙来优化PBR材质的性能。

1. 设置光照烘焙

• 选择物体：在Hierarchy视图中选择需要烘焙光照的物体。

• 设置光照模式：在Inspector视图中，将Lighting模式设置为Static或Lightmap Static。

• 烘焙光照：在Window > Rendering > Lighting窗口中点击Generate Lighting按钮。

2. 使用光照贴图

• 创建光照贴图：在Window > Rendering > Lighting窗口中，设置光照贴图的分辨率和参数。

• 应用光照贴图：在材质中启用Receive GI选项，选择Lightmap作为GI模式。

代码示例：动态更新光照贴图

以下是一个C#脚本示例，展示如何在运行时动态更新光照贴图：

using UnityEngine;



public class UpdateLightmap : MonoBehaviour

{

    public Renderer renderer; // 引用Renderer组件

    public Texture lightmap; // 引用光照贴图



    void Start()

    {

        // 检查Renderer是否为空

        if (renderer == null)

        {

            Debug.LogError("Renderer is not assigned.");

            return;

        }



        // 检查光照贴图是否为空

        if (lightmap == null)

        {

            Debug.LogError("Lightmap is not assigned.");

            return;

        }



        // 更新光照贴图

        renderer.lightmapIndex = 0; // 设置光照贴图索引

        renderer.lightmapScaleOffset = new Vector4(1.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f); // 设置光照贴图缩放和平移

        renderer.sharedMaterial.SetTexture("_LightMap", lightmap); // 应用光照贴图

    }

}

例子描述

• renderer：引用当前GameObject的Renderer组件。

• lightmap：引用你预先烘焙的光照贴图。

• Start：在脚本启动时更新光照贴图索引、缩放和平移，并将光照贴图应用到材质中。

PBR与实时阴影

实时阴影可以增强VR场景的深度和真实感。在Unity中，你可以通过设置光源和阴影来实现PBR材质的实时阴影效果。

1. 设置光源

• 启用阴影：在光源的Inspector视图中启用Shadows选项。

• 选择阴影类型：选择合适的阴影类型，例如Hard Shadows或Soft Shadows。

2. 设置阴影投射

• 选择物体：在Hierarchy视图中选择需要投射阴影的物体。

• 启用阴影投射：在物体的Renderer组件中启用Cast Shadows选项。

代码示例：动态设置阴影

以下是一个C#脚本示例，展示如何在运行时动态设置光源的阴影效果：

using UnityEngine;



public class DynamicShadows : MonoBehaviour

{

    public Light lightSource; // 引用光源

    public bool castShadows = true; // 是否投射阴影

    public ShadowType shadowType = ShadowType.SoftShadows; // 阴影类型



    void Start()

    {

        // 检查光源是否为空

        if (lightSource == null)

        {

            Debug.LogError("Light Source is not assigned.");

            return;

        }



        // 设置阴影投射

        lightSource.shadows = castShadows ? ShadowCastingMode.On : ShadowCastingMode.Off;



        // 设置阴影类型

        lightSource.shadowType = shadowType;

    }

}

例子描述

• lightSource：引用你在Unity中创建的光源。

• castShadows：是否启用阴影投射。

• shadowType：选择阴影类型，例如Hard Shadows或Soft Shadows。

• Start：在脚本启动时根据设置启用或禁用阴影投射，并设置阴影类型。

PBR与后处理效果

后处理效果（Post-Processing Effects）可以在渲染管线的最后阶段对图像进行处理，增强PBR材质的效果。Unity提供了多种后处理效果，例如Bloom、Depth of Field和Motion Blur等。

1. 启用后处理效果

• 安装后处理包：在Unity的Package Manager中安装Post-Processing包。

• 创建后处理体积：在场景中创建Post-Processing Volume，并添加后处理效果。

2. 配置Bloom效果

• 选择Bloom效果：在Post-Processing Volume中选择Bloom效果。

• 调整参数：调整Threshold、Intensity和Attribute等参数来控制Bloom效果。

代码示例：动态控制Bloom效果

以下是一个C#脚本示例，展示如何在运行时动态控制Bloom效果：

using UnityEngine;

using UnityEngine.Rendering.PostProcessing;



public class ControlBloom : MonoBehaviour

{

    public PostProcessVolume postProcessVolume; // 引用后处理体积

    public float bloomIntensity = 1.0f; // Bloom强度

    public float bloomThreshold = 0.5f; // Bloom阈值



    void Start()

    {

        // 检查后处理体积是否为空

        if (postProcessVolume == null)

        {

            Debug.LogError("Post Process Volume is not assigned.");

            return;

        }



        // 获取Bloom效果

        Bloom bloom = postProcessVolume.profile.GetSetting<Bloom>();



        // 检查Bloom效果是否存在

        if (bloom == null)

        {

            Debug.LogError("Bloom effect is not found in the Post Process Volume.");

            return;

        }



        // 设置Bloom强度

        bloom.intensity.value = bloomIntensity;



        // 设置Bloom阈值

        bloom.threshold.value = bloomThreshold;

    }

}

例子描述

• postProcessVolume：引用你在Unity中创建的后处理体积。

• bloomIntensity：设置Bloom效果的强度。

• bloomThreshold：设置Bloom效果的阈值。

• Start：在脚本启动时获取Bloom效果，并设置其强度和阈值。

PBR与HDR（High Dynamic Range）渲染

HDR（High Dynamic Range）渲染可以扩展场景的动态范围，使高光和暗部区域的细节更加丰富，从而增强PBR材质的真实感。在VR中，HDR渲染尤其重要，因为它可以提供更加逼真的光照效果，提升用户的沉浸感。

1. 启用HDR渲染

在Unity中启用HDR渲染非常简单，可以通过以下步骤来实现：

1. 设置相机：

   • 选择场景中的主相机，进入Inspector视图。

   • 在Camera组件中，找到HDR选项并启用它。

2. 设置渲染路径：

   • 在Project Settings > Graphics中，确保选择了支持HDR渲染的渲染路径，例如Forward Rendering或Deferred Rendering。

3. 调整光照强度：

   • 在光源的Inspector视图中，增加光照的强度，使高光效果更加明显。

2. 使用HDR纹理

HDR纹理可以提供更广泛的亮度范围，用于环境光照和反射。以下是如何在Unity中使用HDR纹理的步骤：

1. 导入HDR纹理：

   • 将HDR纹理（例如.hdr文件）导入到Unity项目中。

   • 在纹理的Inspector视图中，确保纹理类型设置为Cube Map，并启用HDR选项。

2. 设置环境光照：

   • 在Window > Rendering > Lighting窗口中，选择Environment选项卡。

   • 在Environment Lighting中，选择Source为Skybox，并设置Skybox材质为HDR纹理。

3. 应用到Reflection Probes：

   • 在场景中创建Reflection Probe。

   • 在Reflection Probe的Inspector视图中，选择Custom环境，并设置HDR纹理。

代码示例：动态设置HDR纹理

以下是一个C#脚本示例，展示如何在运行时动态设置HDR纹理：

using UnityEngine;



public class ApplyHDRTexture : MonoBehaviour

{

    public Camera mainCamera; // 引用主相机

    public RenderTexture hdrTexture; // 引用HDR纹理



    void Start()

    {

        // 检查主相机是否为空

        if (mainCamera == null)

        {

            Debug.LogError("Main Camera is not assigned.");

            return;

        }



        // 检查HDR纹理是否为空

        if (hdrTexture == null)

        {

            Debug.LogError("HDR Texture is not assigned.");

            return;

        }



        // 启用HDR渲染

        mainCamera.hdr = true;



        // 设置环境光照

        RenderSettings.skybox = null;

        RenderSettings.defaultReflectionMode = DefaultReflectionMode.Custom;

        RenderSettings.defaultReflectionResolution = 256;

        RenderSettings.customReflection = hdrTexture;

    }

}

例子描述

• mainCamera：引用你在Unity中创建的主相机。

• hdrTexture：引用你导入的HDR纹理。

• Start：在脚本启动时启用主相机的HDR渲染，并设置环境光照为自定义HDR纹理。

PBR与实时环境光遮蔽

实时环境光遮蔽（Real-time Ambient Occlusion）可以进一步增强PBR材质的效果，使物体的细节更加丰富。Unity提供了多种实时环境光遮蔽技术，例如Screen Space Ambient Occlusion (SSAO)和Volumetric Light Shafts等。

1. 启用SSAO

通过以下步骤启用SSAO效果：

1. 安装后处理包：

   • 在Unity的Package Manager中安装Post-Processing包。

2. 创建后处理体积：

   • 在场景中创建Post-Processing Volume，并添加Ambient Occlusion效果。

3. 配置SSAO参数：

   • 在Ambient Occlusion效果中，调整Radius、Distance和Intensity等参数来控制SSAO效果。

2. 使用Volumetric Light Shafts

Volumetric Light Shafts可以模拟光线在空气中的散射效果，增强场景的真实感。以下是如何在Unity中使用Volumetric Light Shafts的步骤：

1. 安装后处理包：

   • 在Unity的Package Manager中安装Post-Processing包。

2. 创建后处理体积：

   • 在场景中创建Post-Processing Volume，并添加Volumetric Light Shafts效果。

3. 配置参数：

   • 在Volumetric Light Shafts效果中，调整Ray Count、Ray Length和Intensity等参数来控制效果。

代码示例：动态控制SSAO效果

以下是一个C#脚本示例，展示如何在运行时动态控制SSAO效果：

using UnityEngine;

using UnityEngine.Rendering.PostProcessing;



public class ControlSSAO : MonoBehaviour

{

    public PostProcessVolume postProcessVolume; // 引用后处理体积

    public float ssaoRadius = 0.2f; // SSAO半径

    public float ssaoDistance = 6.0f; // SSAO距离

    public float ssaoIntensity = 1.0f; // SSAO强度



    void Start()

    {

        // 检查后处理体积是否为空

        if (postProcessVolume == null)

        {

            Debug.LogError("Post Process Volume is not assigned.");

            return;

        }



        // 获取SSAO效果

        AmbientOcclusion ssao = postProcessVolume.profile.GetSetting<AmbientOcclusion>();



        // 检查SSAO效果是否存在

        if (ssao == null)

        {

            Debug.LogError("SSAO effect is not found in the Post Process Volume.");

            return;

        }



        // 设置SSAO半径

        ssao.radius.value = ssaoRadius;



        // 设置SSAO距离

        ssao.distance.value = ssaoDistance;



        // 设置SSAO强度

        ssao.intensity.value = ssaoIntensity;

    }

}

例子描述

• postProcessVolume：引用你在Unity中创建的后处理体积。

• ssaoRadius：设置SSAO的半径。

• ssaoDistance：设置SSAO的距离。

• ssaoIntensity：设置SSAO的强度。

• Start：在脚本启动时获取SSAO效果，并设置其半径、距离和强度。

PBR在VR中的实际案例

1. 工业仿真

在工业仿真中，PBR技术可以用于模拟各种机械设备和环境。通过精确的物理模型，开发者可以创建逼真的金属表面、塑料材质和环境反射，使仿真场景更加真实。

2. 游戏开发

在VR游戏开发中，PBR技术可以显著提升游戏的视觉效果。例如，在射击游戏中，PBR可以用于制作枪械和装甲的表面细节，使玩家感受到更加真实的游戏体验。

3. 建筑可视化

在建筑可视化中，PBR技术可以用于模拟建筑物的材料和光照效果。通过HDR渲染和实时全局光照，开发者可以创建逼真的室内和室外环境，使用户在VR中感受到更加真实的建筑效果。

4. 影视制作

在VR影视制作中，PBR技术可以用于创建高质量的场景和角色。通过精细的材质设置和后处理效果，开发者可以实现电影级别的视觉效果，提升用户的观影体验。

结论

基于物理的渲染（PBR）技术在VR中的应用越来越广泛，它能够模拟现实世界中的光线和材质特性，为VR场景带来更加真实和沉浸的视觉效果。通过本文的介绍，希望读者能够掌握在Unity引擎中应用PBR技术的基本方法，包括材质的设置、光照模型的选择、性能优化以及与实时阴影和后处理效果的结合。随着技术的不断发展，PBR将在更多的VR应用中发挥重要作用，为用户提供更加逼真的体验。