Unity可编程渲染管线系列（七）反射（镜面和环境）

目录	1 高亮的高光 1.1 光滑度 1.2 表面数据 1.3 漫反射光 1.4 镜面选项 1.5 镜面高光 1.6 逐物体平滑度 2 反射环境 2.1 采样环境 2.2 调制反射 2.3 菲涅尔 2.4 金属表面 3 非同一的缩放值 3.1 移除假设条件 4 反射探针 4.1 盒投影 4.2 探针混合 4.3 HDR解码 5 透明表面 5.1 预乘Alpha 5.2 预设

本文重点：

1、添加镜面高光

2、反射环境

3、支持非同一的缩放

4、和反射探针一起工作

5、结合反射和透明度

这是涵盖Unity的可脚本化渲染管道的教程系列的第七部分。它涵盖了反射，镜面高光和采样反射探针的添加。

本教程是CatLikeCoding系列的一部分，原文地址见文章底部。“原创”标识意为原创翻译而非原创教程。

本教程使用Unity 2018.3.0f2制作。

（倒影生动起来）

1 高亮的高光

到目前为止，我们仅使用了简单的漫射照明，没有任何照明。我们现在将改变它，增加对镜面照明的支持。我们将使用与Unity的Lightweight渲染管道中使用的模型相同的模型。“渲染4，拳头照明”教程介绍了镜面照明的原理，但使用了不同的模型。

1.1 光滑度

完美的漫反射表面（即完美的漫射器）根本没有镜面反射。表面是如此粗糙，以至于没有聚焦反射发生。表面越光滑，反射的光线就越多，而不是扩散。我们将通过从0到1的平滑度材料属性（默认值为?）进行控制。

（光滑度 滑动条）

添加相应的着色器变量。

1.2 表面数据

囊括镜面反射会使我们的照明模型更加复杂。让我们将其所有代码放在一个单独的文件Lighting.hlsl中。在里面定义一个LitSurface结构，该结构包含执行照明计算所需的所有表面数据。那就是表面的法线，位置，漫反射和镜面反射的颜色及其粗糙度。还会包含视图方向，它实际上不是表面的属性，但是相对于我们正在使用的表面点而言是恒定的。

添加一个GetLitSurface函数，该函数返回Lit的表面数据。在此HLSL文件中，我们将不依赖于着色器特定的属性，纹理或定义，因此必须将所有相关数据定义为参数。尽管我们把平滑度作为输入，但是在内部，我们使用粗糙度，只是反过来而已。此外，我们现在使用金属工作流程并将自己局限于电介质材质。介电材质是非金属的，仅反射少量的光，相当于平均0.04的灰度镜面反射。就像Unity的光照代码一样，我们将对其进行硬编码。

根据迪斯尼模型（Disney model），此时我们拥有的粗糙度实际上是一个称为感知粗糙度的值。物理粗糙度是其平方。我们都需要。

在Lit.hlsl中包含Lighting.hlsl。

现在，在执行任何光照计算之前，我们可以在LitPassFragment中获取表面。视线方向就是相机位置减去片段位置（归一化）。

1.3 漫反射光

我们将把照明计算移到Lighting.hlsl。为此，为其提供一个LightSurface函数，以表面和光的方向为参数。它执行漫反射点乘积，并将其乘以表面的漫反射色。我们假设这里是理想的光线，纯白色而没有衰减。

调整MainLight，使其仅将表面作为参数，而不是位置和法向矢量。让它调用LightSurface而不是执行点乘积本身。和以前一样，在此处应用衰减和光色。

以相同的方式调整DiffuseLight，将其重命名为GenericLight，从现在开始可以更好地描述其目的。

现在，LitPassFragment必须将表面作为参数传递。而且，漫反射现在也沿途（而不是在末尾）计入颜色。在开始时，我们仍然必须将其纳入顶点照明。

我们还必须对顶点灯光使用GenericLight。顶点照明是纯漫反射的，因此仅需要位置和法线。颜色为白色，其他值无关紧要。让我们为Lighting.hlsl添加一个方便的包装函数。

然后在LitPassVertex中使用它。

1.4 镜面选项

在添加镜面高光之前，让我们可以跳过它，以便仍然支持完美的漫反射材质。我们将通过添加到表面并作为GetLitSurface的参数的布尔字段来指示默认情况下将其设置为false。这个想法是，你可以对参数进行硬编码，或者使其依赖于着色器关键字。

如果是完美的散光器（diffuser），则平滑度和镜面反射度应始终为零。

同样，我们可以使所有镜面反射计算都以该布尔为条件。始终只需要最终的点积。

这正是我们顶点照明所需要的。

1.5 镜面高光

镜面反射高光背后的想法是，它代表纯粹的反射。光线照射到表面，并且其中一些反射。如果相机对准的话，使其与反射完美匹配，那么它将看到光线，否则看不到。但是，如果表面不是十分光滑，则反射会散布一些，因此即使未完全对准，照相机仍会看到一些反射。表面越粗糙，过渡区域越大。这样就创建了镜面高光。

Unity的轻量级渲染管线使用修改后的简约CookTorrance BRDF计算高光。我们将执行相同的计算。有关详细信息和链接，请参见Lightweight RP软件包中的Lighting.hlsl。

被反射的光也不会散射，因此，除非表面是完美的散射体，否则在GetLitSurface中相应地减少散射体的颜色。

（有和没有镜面高光）

1.6 逐物体平滑度

我们制作了InstancedColor组件，因此我们可以为每个对象提供自己的颜色，而无需使用单独的材质。为了实现平滑，我们也可以这样做。可以使用相同的组件来做这两个事情，但是我们应该重命名它以更好地描述其更通用的功能。

首先，在“Project”窗口中将资产文件从InstancedColor重命名为InstancedMaterialProperties，然后在代码中重命名类定义并添加平滑度。按此顺序进行操作可使Unity编辑器保持所有组件引用完整。否则，你必须修复丢失的脚本引用。

（逐物体变化的光滑度）

为了保持GPU实例化，我们必须将smoothness变量移至实例化缓冲区。

并使用UNITY_ACCESS_INSTANCED_PROP宏检索它。

2 反射环境

镜面高光表示光源的直接反射。但是，光（直接和间接）都可以来自各个方向。我们无法实时跟踪所有这些反射，因此我们将对包含环境照明的立方体贴图进行采样。

2.1 采样环境

默认环境是skybox。Unity通过unity_SpecCube0在着色器中将其变为可用。这是一个立方体贴图纹理资源，我们可以通过TEXTURECUBE宏以及samplerunity_SpecCube0采样器状态进行定义。在Lighting.hlsl中定义这些参数以及其他变量和资源，因为我们如何获取环境数据的细节与照明计算无关。

再次在Lit.hlsl中，以表面为参数定义SampleEnvironment函数。它将按照“渲染8，反射”中所述的相同方式对立方体贴图进行采样。首先，使用具有负视图方向和表面法线的反射函数来获取反射向量。然后调用PerceptualRoughnessToMipmapLevel来基于感知粗糙度找到正确的Mip级别。之后，我们可以使用SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD宏对立方体贴图进行采样，并将结果用作最终颜色。

PerceptualRoughnessToMipmapLevel在ImageBasedLighting.hlsl核心RP库文件中定义。粗糙表面会产生模糊反射，我们可以通过选择适当的Mip级别来获得模糊反射。Unity生成特殊的Mipmap，以表示散射的反射。

要检查是否可行，请在LitPassFragment的末尾对环境进行采样，并将其用作最终颜色，以覆盖照明。

结果是统一的灰色，这意味着没有可用的立方体贴图。我们必须指示Unity绑定环境地图，这是通过在MyPipeline.Render的渲染器配置中设置RendererConfiguration.PerObjectReflectionProbes标志来完成的。因为此时我们还没有使用反射探针，所以所有对象最终都带有天空盒立方体贴图。

（采样天空盒）

2.2 调制反射

反射多少环境取决于表面的粗糙度。为此，以表面和环境颜色为参数，向Lighting.hlsl添加ReflectEnvironment函数。请注意，此函数并不关心环境颜色是从立方体贴图样本，或者统一值还是其他值衍生而来。

理想的漫反射器不会反射任何东西，因此结果始终为零。否则，将镜面反射颜色计入结果中。然后将其除以平方粗糙度+1。

通过此功能过滤采样的环境。

（调制反射）

2.3 菲涅尔

在掠射角处，大多数光被反射，并且所有表面都像镜子一样起作用。这称为菲涅耳反射。这实际上是根据表面法线和视图方向之间的角度增强镜面反射颜色。我们将使用一个减去法线和视图方向的饱和点积，并提高到四次方。核心RP库为此定义了一个方便的Pow4函数。使用结果将高光颜色插值为白色，然后将其分解为ReflectEnvironment中的环境颜色。

（菲涅尔反射）

但是粗糙度也会影响菲涅耳反射。表面越粗糙，效果越弱。将fresnelStrength字段添加到表面以跟踪此情况。我们将简单地使其等于平滑度。

现在提高菲涅耳强度，而不是始终保持最大强度。

（调制菲涅尔反射）

最后，将环境反射添加到直接照明中，而不是替换它。

（反射添加到直接照明）

2.4 金属表面

固定的单色镜面反射镜0.04适用于介电材质，但不适用于金属。纯金属仅反射光，但会改变其颜色。要指示某物是否为金属，请添加另一个着色器属性。再次使用范围为0-1的滑块，这样就可以表示由电介质和金属混合而成的材质。

（金属度滑块）

我们也将立即将METALAL属性添加到InstancedMaterialProperties中。

（逐物体的金属度）

添加着色器实例属性。

并在平滑之前将其传递给LitPassFragment中的LitSurface。

将相应的参数添加到GetLitSurface，并为LitSurface提供一个字段以存储其反射率。如果是完美的扩散器，则始终为零。

对于金属，提供的颜色控制镜面反射而不是漫反射。由于金属不是二进制的，因此可以使用它在非金属的0.04和金属的颜色之间插入镜面反射颜色。在那之后，反射率将简单地等于金属，除了我们使用0.04作为最小值。因此，根据金属从0.04插值到1。最后，反射率增加了菲涅耳强度，最大为1。

（一半 VS 全部 金属度）

3 非同一的缩放值

在继续之前，让我们重新考虑所有对象具有统一比例的假设。该限制适用于简单的场景，但是要构建具有简单形状的更复杂的场景，将它们拉伸会很有用，这会导致缩放比例不一致。如果现在这样做，最终将导致着色不正确，如渲染4，第一束光中所述。

（拉伸的球体下 不正确的着色）

3.1 移除假设条件

为了使阴影正确，无论使用何种缩放比例，我们都必须在着色器中摆脱假设一致的缩放编译指示。

如果比例尺不均匀，则必须使用对象的wold-to-object矩阵正确转换法线向量。因此，除了unity_ObjectToWorld外，我们还需要UnityPerDraw缓冲区中的unity_WorldToObject。

除此之外，Unity的实例化代码希望通过UNITY_MATRIX_I_M宏将其定义为UNITY_MATRIX_M的反函数。

在LitPassVertex中转换法线向量时，我们必须交换矩阵，逆转乘法顺序，并对结果进行归一化。但是，仅在不采用统一缩放比例的情况下才需要这样做。如果确实启用该选项，则将定义UNITY_ASSUME_UNIFORM_SCALING，并且仍然可以使用更便宜的方法。

（拉伸的球体 正确的着色）

4 反射探针

仅当没有其他反射探头可用时，才将skybox用于环境反射。你可以通过GameObject/ Light / Reflection Probe将一个添加到场景中。默认情况下，反射探针的“Type”设置为“Baked”，这意味着其立方体贴图由Unity编辑器渲染一次，并且仅显示标记为反射探针为静态的对象。如果更改了静态内容，它将更新。设置为“Realtime”时，它将显示整个场景。何时渲染立方体贴图取决于“Refresh Mode”和“Time Slicing ”设置。在编辑模式下，场景变化时，实时反射探针并不总是刷新。有关更多详细信息，请参见渲染8，反射。

（反射探针设置为实时渲染）

反射探针仅在有东西要反射时才有用，因此将它们放在其他物体附近的场景中。你可以将它们放置在一个对象中，只要该对象使用剔除背面的材质即可。这样，你可以获得该对象的最准确的反射。

（场景中间有一个反射探针）

Unity在渲染立方体贴图面时会使用我们的管道，尽管这不会在帧调试器中显示。但可以通过记录“Render”中使用的摄像机类型，在MyPipeline中对此进行验证。默认情况下，立方体贴图在需要时渲染一次。这意味着反射面最终会比环境图中的预期要暗，因为它们自己依赖于环境图。你可以通过照明设置增加反射量。例如，2的反射值意味着所有立方体贴图都将正常渲染，但随后会使用先前用于环境映射的结果再次渲染它们。

（2次反射值）

4.1 盒投影

默认情况下，由立方体贴图表示的光被视为来自无限远的地方。这不适用于附近的表面。盒映射可用于使小区域的反射更准确。Unity的轻量级渲染管道不执行此操作，但我们将使用与Unity的Legacy渲染管道相匹配的“渲染8，反射”中描述的方法来支持盒映射。

将探针盒的最小和最大边界及其位置的变量添加到UnityPerDraw缓冲区。

直接从其他教程中复制BoxProjection函数。

使用该函数在SampleEnvironment中查找调整后的样本坐标。

为反射探针启用“盒投影”，并调整其盒边界，使其最匹配其反射的内容。

（盒投影）

4.2 探针混合

反射探针经过一些调整后可以产生不错的结果，但仅适用于合理接近探针位置的物体。否则，除了反射未对齐之外，对象最终有可能反射自己。如果错误太明显，则必须使用更多探针。

（用两个探针替代1个）

每个对象使用哪种反射探针由其盒控制。选择覆盖对象的最接近或最重要的探针。如果该对象未包含在任何探针盒中，它将使用天空盒。但这会导致从一个探针到下一个探针的艰难过渡。可以通过在探针之间进行混合来缓解这种情况，可以针对每个对象进行配置。最多可以将两种探针以这种方式混合。

为了支持混合，我们必须为第二个探针添加另一组变量。

除了第二个立方体贴图纹理外，我们还可以为两者使用相同的采样器状态。

再次，我们从其他教程中复制该方法。

（混合探针）

4.3 HDR解码

现在，我们支持反射探针，但前提是它们的纹理包含未编码的光数据。通常是这种情况，但是当烘焙的贴图经过HDR编码或探针的强度发生变化时，情况并非如此。为了支持这一点，我们可以依赖在ImageBasedLighting.hlsl核心RP库文件中定义的DecodeHDREnvironment。

每个探测器都有HDR解码指令，为此我们必须添加变量。

然后，我们可以解码立方体贴图样本。

（双倍强度）

请注意，当使用多次反射时，增加探头的强度会产生巨大的变化，因为每次反射都会使光线增强。

5 透明表面

我们通过回顾半透明的表面来总结。在上一教程中，我们增加了对淡入淡出表面的支持。淡出表面的整个颜色，也包括反射。如果你想使所有物体淡化，那效果还不错，但是它不适用于水晶或玻璃等材质。

（淡入淡出反射）

5.1 预乘Alpha

玻璃通常几乎是完全透明的，但仍会反射光。为了表示这一点，我们只需要将不透明度应用于漫反射光照。我们通过将Alpha用作漫反射颜色来实现。因此，我们预乘alpha而不是在完成所有光照后应用它，而不是使用常规片段混合。之后，我们根据反射率提高Alpha值，以使反射替换表面后面的任何东西。向Lighting.hlsl添加一个函数来相应地调整表面和Alpha。

如果定义了_PREMULTIPLY_ALPHA着色器关键字，则在LitPassFragment中获取表面后调用它。

添加切换着色器属性以控制关键字。

为了使这项工作有效，我们必须将源混合模式设置为一种，而不是source-alpha。

（开启预乘alpha）

5.2 预设

让我们向LitShaderGUI添加用于透明材质的预设。为它提供一个属性来设置_PREMULTIPLY_ALPHA关键字以及随附的着色器属性。

到目前为止，在所有预设方法中将其设置为false。

复制两个淡入淡出预设方法并进行调整，以使它们配置透明材质。因此PremultiplyAlpha变为true，SrcBlend变为BlendMode.One。

最后一步是调用OnGUI中的方法以及其他方法。

（新的透明预设）

下一章，全局光照。

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本文翻译自 Jasper Flick的系列教程

原文地址：

https://catlikecoding.com/unity/tutorials