unity urp内置lit材质源码解析（下）

Posted 2022-07-13 暮志未晚Webgl

接上一篇，这已经是第三篇了，这一篇的难度应该是最高的，因为涉及到pbr的渲染。我作为一个小ta，也不能说能够把物理材质吃透，这里我将能把我理解的都列出来，并结合源码给大家讲解一下。
UniversalFragmentPBR函数是写到Lighting.hlsl文件内，这是主要处理光照相关的函数，里面也封装了很多其它应用函数，并且还有很多重载。

合并代码，我们发现，这个文件里面封装了pbr（物理材质） BlinnPhong（冯氏渲染模型）Unlit（无光照模型）三种，每一种都有一个重载。重载的意思就是，我们可以不生成SurfaceData，而是通过传入相关必要的值，也可以调用这个函数，获取到颜色。
我们的lit就使用了里面的计算pbr的函数获得了颜色，接下来，我们解析一下lit里面的pbr的实现。

这里是高光的开关，这个宏可以在材质上开和关。根据宏声明一个变量，在后面使用。

生成BRDF数据，BRDF就是微平面模型，也是物理材质现在常用的实现方式。
BRDF最后总结出来了一个DVF：
D项 定义了高光的形状
V项 解析了由于微平面相互遮蔽导致的光衰减（需要和D项配对使用）
F项 菲涅尔 根据视角和平面朝向计算反射率

接下来，我们先看一下unity内如何实现的，然后再做一个解析

来看一下，它是如何生成这里面根据你的工作流，相应的计算出来brdf的基本色 高光色 反射率等。
计算BRDF需要一个基本色和一个高光色，所以这里做了一个处理。
仔细看一下金属工作流：

这里主要求出了当前的反射率。反射率是什么，就是可以吸收多少的光，吸收的越多，漫反射就越强，反射出来的光就越少，如果吸收的越少，反射出来的光就越多，反射率就高。通过金属度来得出结果，之前在pbr材质解析中，我们了解到不同的材质的反射率不同，比如金属材质反射率很低，无限接近于0，所以它的基本色也基本全黑，但是它的高光色无限接近于基本色贴图的颜色。
这里可以看到，它的推理，其实这个的返回值是 0.96 - 0.96 * 金属度，应该是为了防止反射率全满。如果金属度的话，它的漫反射就是0，颜色全黑，也应证了金属材质的漫反射是0 。

高光也称之为镜面反射，其实就是反射的颜色。这里是根据金属度做了一个lerp操作，kDieletricSpec.rgb这是通用默认高光强度，rgb都为0.04，研究证明，非金属的反射强度都比较偏低，范围在0.02-0.05中间，所以这里使用了中间值0.04，也是为了让非金属的高光有一些颜色偏向。
金属材质的高光颜色，也就是默认的baseColor了，因为它的反射率为1，把所有的颜色都反射了出去。

上面，我们求出了材质的反射率，基本色和高光色以后，然后又调用了这个放假，继续计算数据。

这里把默认颜色 漫反射颜色 镜面反射颜色 以及反射率直接传出。
并且根据光滑度，计算相应的粗糙度。

这个其实是 1.0 - 光滑度，来计算一个初始的粗糙度。
然后，粗糙度不能为0，做了一个max操作。
后面的还不知道有什么用，再往后看看用途。

到此，也就算计算出了，BRDF计算所需的一些数据，主要就是漫反射颜色 镜面反射颜色 反射率 粗糙度。

这里调试使用，略过。

然后开始计算涂层的BRDF数据，数据跟上面差不多，里面也对手机进行了兼容，减少手机上的运算。这里不再做过多的讲解。unity的设置，涂层是没有默认颜色的，它的漫反射的颜色是0.96。

多种途径去获取阴影遮罩。

这里是获取环境光遮蔽，直接光的遮蔽和间接光的遮蔽。并且和烘焙的环境光遮蔽贴图取一个最小值。

这里是获取主光源数据，里面包含主光源的方向，距离阴影衰减（主光源默认为1，有距离衰减的光源才有渐变值）光源颜色 还有阴影遮罩的数据，如果传入了环境光遮蔽并且开启了SSAO（屏幕空间环境光遮蔽）它还能够帮你合并计算出最终的环境光遮蔽。

这里使用了实时光去混合了环境光漫反射，具体就是这一段


这里创建了一个光照数据
里面主要设置了环境色和自发光色。

总算开始计算最终的环境色了。

在这个函数里面，计算了最终的环境漫反射和环境镜面反射。

这一句，我们能够清晰看出，环境漫反射就是我们之前求出来的bakedGI。

这个函数，根据我们的菲涅尔和位置，以及粗糙度，来求出间接光的镜面反射。

到这里，我们能看到，其实，它就拿着这个数据去环境贴图，简称IBL（Image based lighting）基于图像的光照，或者反射球上面，根据粗糙的获取不同的mip层级。如果是HDR贴图，还需要进行HDR转换。来求出环境镜面反射的颜色。

我们获取到了环境光漫反射颜色和环境光镜面反射的颜色以后，使用unity内置的环境BRDF方法来计算出来最终物体上显示的环境色。

这里就是unity使用环境BRDF实现的环境色。
之前我研究的间接光照公式：IndirectLighting = DiffuseColor / pi * SH + LD * DFG(SpecularColor)
基本上差不多，只是使用的公式不一样，它这里的高光是将D项和G项 使用F项进行了一个插值。
最后，和环境光遮蔽相乘，得出了最终的环境色。unity里面好像比较喜欢直接使用默认颜色，而不是像ue里面的基本色/PI，所以unity里面显得比较亮一些。

接下来就是直接光漫反射和直接光镜面反射的获取。

这个是实现函数，里面首先计算出了NdotL并限制在了0-1范围内，然后乘以光的颜色。这是标准的兰伯特模型，unity也是没有除以PI。
直接光照公式： DirectLighting = （DiffuseColor / pi + D(Roughness，x) * V(Roughness，x) * F(SpecularColor，x) ）* NdotL * LightColor
我拿之前的直接光照公式可以对比一下。
然后就是重要的直接光镜面反射实现。

可以看代码看出它是使用的GGX高光实现，具体GGX高光如何实现，大家可以查看代码和读相关资料自行查看。
最终得到的GGX高光强度，去乘以radiance，保证了，光照背面没有直接光漫反射和直接光的镜面反射。
然后直接光颜色和间接光颜色想加，这就实现了主光源的光照颜色。

如果你有其它附加光源，也需要进行相关的计算，求出光源的直接光漫反射和直接光镜面反射。环境光一次就够了。

别忘记了，还需要加上顶点上计算出来的光照颜色。
最后是合并颜色，把所有的光照数据内的颜色进行相加，得到了最终的颜色。

写完之后发现，unity内置的lit shader好乱，有的问题进行了多次处理，看来为了兼容真是做了很多的处理，后面我整理一个简洁的pbrshader吧。