Unity PBR渲染技术系列一

国庆假期终于空闲了，利用休息这段时间，把最近一直研究Unity的渲染技术成果给大家分享一下，目前，在游戏开发方面，两个职位比较火，一个是图形学程序，另一个是美术TA。这两个职位有个共同的特征就是需要掌握Shader编程。Unity官方提供了一些Shader的渲染比如Standard。但是这个远远不能满足程序开发需求。需要我们自己去开发一些Shader满足需求，很多人对写Shader都比较头疼，学习Shader有两种方式：一种是从原理开始学习，这需要学习者掌握数学知识，另外对固定流水线和可编程流水线熟练掌握，这二者会涉及到矩阵控件变换，很多人就在此卡住了；其实我们完全可以绕开这层，采用第二种学习方式就是走一个捷径，采用Shader工具比如Shader Forge和Shader Graph。为了能够快速的掌握PBR技术，在此建议读者学习Shader Graph，这个跟UE4的非常相似，其实通过工具的使用也是为了给美术TA和图形学编程者降低进入门槛。使用工具编程对Shader的基本语法还是要懂的，否则在连线过程中也会不知所措。下面我们就以渲染一个角色的皮质衣服为例给读者讲解如何制作？下面是效果图。

上图显示的裙子是皮质的效果，如果策划提了这个需求后，作为美术TA或者图形学编程者该如何实现？那我们就要分析这个效果需要哪些贴图实现了，Diffuse是必不可少的，我们的皮质衣服有亮度，而且亮度有明有暗，这个自然让人想到了法线的表现，两张贴图搞定了，剩下的就是皮质的体现了，我们看看Unity为我们提供了一个结构体，而且这个结构体我们可以自己定义，结构代码如下所示：

		struct SurfaceOutputCustomLightingCustom
		{
			half3 Albedo;
			half3 Normal;
			half3 Emission;
			half Metallic;
			half Smoothness;
			half Occlusion;
			half Alpha;
			Input SurfInput;
			UnityGIInput GIData;
		};

在这个结构体中，我们会使用Metallic和Smoothness两个参数，因为表示物体表面的反射率与光照的反射程度由Metallic和Smoothness来控制的。这样我们的渲染技术我们就分析完成了。两个参数对应的是两张贴图，一张用于表现Metallic，一种表现Smoothness。从优化角度讲，我们会将二者合并成一张贴图。这样我们只需要三张贴图就可以实现我们的皮质效果：一张是Albedo（diffuse），一张是Normal法线贴图，一张是Metallic和Smoothness合并的贴图。贴图问题解决了。
如下图所示：

下面我们就要通过Shader Grapth进行效果的渲染了。
第一步：把我们的贴图先在Shader Graph中表示出来，效果如下所示：

我们还是使用了Standard Surface Light，这样我们的贴图就全部用上了，这也是我们的核心部分，我们明白了原理直接连线就可以了。
第二步：针对PBR会用到一些算法比如Fresnel菲涅尔效果针对也是反射，这个Shader Graph也为我们实现好了，直接拿过来使用就可以了，如下图所示：

最后，我们需要把它们链接起来，这样我们的皮质渲染效果才能实现出来。当然少不了纹理的Mutiply相乘和纹理的叠加Add，以及Clamp和saturate函数的使用。最终我们的Shader如下所示：

另外，该Shader不仅能渲染皮质的，还能渲染布料的，二者的区别只是在贴图上，通过绘制的贴图改变，我们还可以做出布料的材质效果，Shader是跟上面提到的一样，实现效果如下所示：

所以Shader写好了后，通过改变材质，得出的效果是完全不一样的。很神奇吧？
总结
随着硬件的提升，玩家对游戏品质的要求越来越高，以前做游戏要求玩家的面数在1500个三角面片的时代已经过去了，现在需要的是次世代效果，面数在12000-15000之间。这些都对渲染提高了要求，PBR渲染技术对于游戏品质的提升起到了非常好的效果，掌握了PBR技术就掌握了次世代渲染技术。这个会通过一个系列给读者介绍。