一、引言
Unity3D中的PBR（Physically Based Rendering，基于物理的渲染）技术是一种先进的渲染技术，它基于物理光学原理，能够更加真实地模拟物体表面的光照反射和折射效果。掌握PBR的渲染流程对于提升游戏场景的真实感至关重要。本文将详细介绍Unity3D中的PBR美术工作流，包括技术详解和代码实现。
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二、技术详解
- 几何模型
几何模型是PBR渲染中最基本的组成部分，包括物体的形状和大小。在Unity3D中，可以使用Blender、Maya等建模工具来创建几何模型。 - 着色器
着色器在PBR渲染中起到关键作用，它可以控制物体表面的材质属性，如光泽度、金属度、粗糙度等。Unity3D使用ShaderLab语言编写着色器程序。 - 纹理贴图
纹理贴图用于更加真实地呈现物体表面的材质属性。例如，法线贴图用于模拟物体表面的凹凸纹理，金属贴图用于控制物体的金属度。这些贴图可以使用Photoshop、Substance Painter等美术软件创建。 - 光照
PBR渲染中的光照模拟非常重要。使用HDR环境贴图可以模拟真实世界中的光照情况，包括直射光和间接光。在Unity3D中，可以使用Skybox或Light Probe来实现HDR环境贴图。 - 后期处理
后期处理技术可以进一步增强渲染效果，如模拟物体表面的散射效果、模糊效果等。Unity3D提供了Post Processing Stack来实现后期处理。
三、BRDF模型
BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）描述了物体表面对于入射光的反射特性。在PBR渲染中，常用的BRDF模型有Lambertian模型和Cook-Torrance模型。
- Lambertian模型
Lambertian模型假设物体表面是完全粗糙的，入射光在物体表面上随机反射，反射光强度与入射光强度成正比。
| Shader “Custom/Lambertian” { | |
| Properties { | |
| _MainTex (“Texture”, 2D) = “white” {} | |
| } | |
| SubShader { | |
| Tags { “RenderType”=“Opaque” } | |
| LOD 100 | |
| CGPROGRAM | |
| #pragma surface surf Lambert | |
| sampler2D _MainTex; | |
| struct Input { | |
| float2 uv_MainTex; | |
| }; | |
| void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { | |
| o.Albedo = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb; | |
| } | |
| } | |
| } |
- Cook-Torrance模型
Cook-Torrance模型更加复杂，用于模拟镜面反射和高光效果。它考虑了表面的微几何结构和菲涅尔效应。
四、PBR标准着色器
Unity3D从5.x版本开始提供了两个标准着色器：Standard和Standard（Specular Setup）。它们共同组成了一个完整的PBS（Physically Based Shading）光照明模型。
- Standard着色器
Standard着色器主要针对硬质表面设计，可以处理大多数现实世界的材质，如石头、陶瓷、金属等。它使用金属度（Metallic）和粗糙度（Roughness）来控制材质属性。
| Shader "Custom/MyStandardShader" { | |
| Properties { | |
| _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {} | |
| _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0 | |
| _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5 | |
| _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1) | |
| } | |
| SubShader { | |
| Tags {"RenderType"="Opaque"} | |
| LOD 100 | |
| CGPROGRAM | |
| #pragma surface surf Standard | |
| sampler2D _MainTex; | |
| float _Metallic; | |
| float _Glossiness; | |
| float4 _Color; | |
| struct Input { | |
| float2 uv_MainTex; | |
| }; | |
| void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) { | |
| o.Albedo = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb * _Color.rgb; | |
| o.Metallic = _Metallic; | |
| o.Smoothness = _Glossiness; | |
| o.Alpha = _Color.a; | |
| } | |
| } | |
| FallBack "Diffuse" | |
| } |
- Standard（Specular Setup）着色器
Standard（Specular Setup）着色器使用高光颜色（Specular Color）和高光光泽度（Specular Glossiness）来控制材质属性，适用于需要更精细高光控制的情况。
五、PBR工作流程中的关键属性
- Base Color（基础颜色）：包含绝缘体的反射颜色和金属的反射率。
- Metallic Map（金属贴图）：描述哪些区域是金属，哪些区域是绝缘体。
- Roughness Map（粗糙度贴图）：描述表面引起光线漫反射的不规则程度。
- Ambient Occlusion（环境光遮蔽）：表示有多少环境光可以被表面上的一个点吸收。
- Normal Map（法线贴图）：用于模拟表面细节，同时影响粗糙度和光泽度映射。
六、结论
PBR渲染技术为Unity3D开发者提供了一种更加真实和灵活的材质渲染方式。通过掌握PBR的渲染流程和关键属性，可以显著提升游戏场景的真实感和视觉效果。本文详细介绍了Unity3D中的PBR美术工作流，包括技术详解和代码实现，希望对Unity3D开发者有所帮助。
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