Unity中Shader双向反射分布函数BRDF

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前言

Unity中Shader双向反射分布函数BRDF。在上一篇文章中，我们知道了PBR的核心是PBS。而PBS的核心就是 双向反射发布函数（BRDF）

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一、渲染方程

• 渲染方程描述了光能在场景中的流动，根据光的物理学原理，渲染方程可以完美的模拟出符合物理光学的结果。

该公式是根据现实物理推到得出的，实际渲染不用这个，而是在这个的基础上简化

• L₀是当前点的出射光亮度（可以理解为输出颜色）
• L_e是当前点的自发光亮度
• ƒ_r是当前点的入射方向到出射方向光的反射比例，为BxDF
• L_i是当前点的入射光亮度
• （ω_i*n）是入射角带来的入射光衰减
• ʃ_Ω…dω_i是入射方向半球的积分，可以理解为无穷小的累加和

我们在渲染时，主要考虑的是 ƒ_r ，BxDF

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二、什么是BxDF

1、BSSRDF

• Bidirectional Surface Scattering Reflectance Distribution Function（双向表面散射反射分布函数）
  双向：这个函数需要已知 入射光向量 和 视线向量
表面散射反射：这个函数几乎完全模拟出了物理光照物体的效果

2、BRDF

• Bidirectional Reflectance Distribution Function（双向反射分布函数）

双向：这个函数需要已知 入射光向量 和 视线向量
反射：这个函数只模拟了光照到物体表面高光反射的效果

3、BTDF

• Bidirectional Transmittance Distribution Function（双向透射分布函数）

双向：这个函数需要已知 入射光向量 和 视线向量
透射：这个函数只模拟了光照到物体表面穿透 高光透射 的效果

4、BSDF

• Bidirectional Scattering Distribution Function（双向散射分布函数）

双向：这个函数需要已知 入射光向量 和 视线向量
散射：这个函数同时模拟了 高光反射 和 高光透射 的效果

• BSDF = BRDF + BTDF

我们在Unity中，主要使用的时BRDF（双向反射分布函数），即只考虑物体表面的高光反射效果。

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三、迪士尼原则的BRDF

BRDF有很多公式。但是，比较通用普及的是迪士尼原则的BRDF

迪士尼动画工作室在 SIGGRAPH2012上进行了著名的 Physically based shading at Disney 演讲，正式提出了 迪士尼原则的BRDF，由于其 高度的通用性 在电影界和游戏界都引起了不小的轰动。

迪士尼原则的BRDF的核心理念：

• 使用直观的参数，而不是晦涩的物理类参数
• 参数尽可能的少
• 参数在其合理范围内应该为 0 - 1
• 允许参数在有意义的情况下超出正常的范围
• 所有参数组应尽可能的健壮与合理

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四、迪士尼原则的BRDF的参数

• BaseColor(固有色)：表面的颜色，通常由纹理提供

• Subsurface(次表面)：使用次表面近似的控制漫反射形状

• Metallic(金属度)：0 = 非金属，1 = 金属，这是两种不同类型之间的线性混合

• Specular(镜面反射强度)：镜面反射的强度

• SpecularTint(镜面反射颜色)：对美术控制的让步，用于对BaseColor的入镜镜面反射进行颜色控制

• Roughness(粗糙度)：表面粗糙度，控制漫反射和镜面反射

• Anisotropic(各向异性强度)：用于控制镜面反射高光的纵横比，0 = 各向同性，1 = 各向异性（正常的物体一般是各向同性的）

• Sheen(光泽度)：一种额外的掠射分量。主要用于布料

• SheenTint(光泽颜色)：对Sheen的颜色控制

• ClearCoat(清漆强度)：特殊用途的第二个镜面波瓣

• ClearCoatGloss(清漆光泽度)：控制透明图层光泽度

标红的参数是Unity中用到的

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五、在Unity中看一下默认Shader的这些参数

首先，我们需要把颜色空间修改为线性的
（Edit->Project Setting->Player->Other Settings）

然后，我们在Unity中导入一个模型用于测试PBR的主要参数：

我们可以使用SubstancePainter软件来输出这下图中需要的纹理

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六、在这里记录一下使用 Blender 和 SubstancePainter 的流程

1、在Blender中导出模型为 .obj 格式

2、在SubstancePainter中导入（在SP中导入是使用新建）

SubstancePainter中移动快捷键：

旋转视图：ALT+鼠标左键；移动视图：ALT+鼠标中键

因为Unity中对于PBR的不同单通道效果使用多个纹理，比较浪费系统资源。
所以，我们可以在自己的Shader中改写，对一张贴图的RGB通道来分别采样使用

这是在SP中，自定义的纹理输出格式