Unity3D魔改渲染系列之亂改圖形篇

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需要的老鐵們，直接按照裡邊的文檔，把文件copy到自己的引擎目錄下替換就行了（由於Unity版本更迭，有可能出現不兼容的情況，因此請注意備份）。

首先需要魔改的第一個文件就是UnityPBSLighting.cginc，這個文件是幾乎所有使用PBR Shader的項目都會用到的文件，包括內置的Standard Shader也是隱式調用了這個文件里的方法。我們打開這個文件，可以看到裡邊有deferred, forward兩種管線的光照調用，同時為每個管線都提供了Standard和Standard Specular這兩種光照方案。具體這兩種光照方案有何意義在官網的教程可以查到，不再贅述。如果大家仔細看一下deferred shading的光照運算，會發現一個很荒謬的設計，裡邊居然有個BRDF？！WTF？！我們都知道deferred shading管線是在後處理環節計算光照的，所以這裡的設計並不知道是Unity工程師的設計錯誤或者疏忽，這裡要對其進行修改。

修改的核心依據在於對引擎管線的理解，延遲管線將燈光和反射的運算都包含在後處理中，唯一涉及光照的運算是光照貼圖，光照貼圖以自發光的形式，也就是色彩直接疊加到最終結果里。所以我們只需要保留光照貼圖的讀取即可，這一部分直接使用傳入的gi.diffuse的值，從一整個BRDF運算到一行賦值，節約的性能不言而喻。

說完deferred管線，我們再來分析一下forward管線。其實forward管線的BRDF也有諸多缺陷，所以我們將對UnityStandardBRDF.cginc這個文件里的BRDF1公式進行魔改。魔改的主要方向是，通過宏定義區分當前執行的Pass，過濾掉ForwardAdd Pass下的反射和間接光，因為這兩個部分本身就是沒有必要的，這也是Unity的一個重大的設計缺陷，這將直接導致Unity在Forward Path中，多燈光照明時性能驟降，尤其是GPU性能較差的手機平台。所以這裡的修改也是非常必要的。性能優化部分到這裡就差不多了，其他的我暫時也沒找到什麼問題，如果有讀者發現有問題了可以直接留言告訴我。

Unity的軟陰影效果，用過的都知道有多呵呵，其實這也是屬於這個引擎的歷史遺留問題，畢竟要考慮低端平台，不能像UE一樣完全面對高端平台一股腦特效往裡塞，所以我們這裡可以手動魔改一下陰影，讓點光源和平行光的軟陰影好看一點。

陰影的計算方法是在UnityShadowLibrary.cginc中，而平行光的計算是獨立出來的，是利用屏幕的深度圖在屏幕空間進行逐像素計算的。所以我們就需要把平行光的Shader單獨拿出來設置，具體設置位置在菜單的GraphicsSettings中的ScreenSpaceShadow。

介紹完Unity陰影計算的背景，我們可以來考慮一下怎樣對其進行魔改了，要實現軟陰影，就需要進行多次採樣，尋找該像素周邊的像素，並且進行加權平均。Unity中有點光源，聚光源和平行光源這三種，而這三種光源的shadowmap原理基本一樣，都是依靠shadowmap，也就是一個內置的子攝像機生成的。從光源特性可以簡單判斷出來，點光源實際上就是一個cubemap，聚光源就是一個透視投影攝像機，而平行光則是正交投影攝像機，實際上平行光一般有多個不同等級不同繪製面積的攝像機，以此實現基於距離的陰影等級劃分。而Cubemap的渲染原理其實也並不神秘，只不過相當於一個上下左右前後6個面的全方位透視投影攝像機，生成的結果其實也是6張RenderTexture，只不過引擎和圖形API已經給我們封裝成一個可以直接通過向量進行採樣的Cubemap了。

在得到shadowmap以後，shader將像素的世界坐標乘光源的ViewProjectionMatrix，獲得該像素在shadowmap上的UV，然後進行深度比較即可判斷出這個點是否被其他物體遮擋，這就是整個Shadowmap運算的基本流程。

知道了shadowmap的原理，就可以開始下一步的開發了。透視投影秉承近大遠小的原則，而正交投影則秉承遠近一樣大的原則。先說透視投影的軟陰影模糊原理，對一個透視投影採樣的圖片進行模糊時，由於近大遠小，所以遠處物體占像素要比其在近處時少，也就是說遠處物體的模糊程度會比近處物體的模糊程度要高，而正交投影無論遠近受到的模糊程度都是一樣的，根據生活經驗，由於光線具有發散性，一般的陰影都是近處硬，遠處軟，比較符合透視投影的特性，所以在透視投影類的shadowmap上，我們可以直接使用固定距離的UV移就可以了。

然後我們開始嘗試進行多次採樣，這裡我們使用的軟陰影演算法是受到諸多3A大作歡迎的PCSS演算法，PCSS的核心思想可以用一句話概括：胡亂採樣大法。通過像素當前所在的位置作為種子，生成數個隨機數作為偏移量並採樣，在點光源上實現的效果：

單純論效果可以毫不謙虛的說，已經甩官方實現起碼十萬八千里了，為了達到這個目的，我們使用了64次採樣，這個採樣數的性能消耗在一般的PC平台上勉強可以接受。

平行光就相對麻煩一些了，因為正交投影遠近一樣，所以我們需要手動判斷像素點離shadowmap中像素的距離，從而實現基於距離的模糊。這裡我們的解決方法是使用線性插值，指定一個最小的採樣距離（即最硬的陰影）和最大的採樣距離（即最軟的陰影），然後通過線性插值獲取當前的採樣距離，然後對極限距離以及插值變數進行調整，實現對陰影效果的調參，平行光軟陰影效果如下：

這時候，一個不知好歹的男人提出了意見，不行啊，64次採樣太多了啊，PS4，XBOX以及一些中低端的顯卡性能不夠啊，得減少採樣數量，起碼降到32，甚至16或25次。唔。。坦率的講，64次確實有。。emm。。那麼一點點小多？但是美術大佬們又不希望軟陰影的質量降低，不希望出現稀疏的噪點，而隨機採樣率降低的最直觀問題就是會出現難以忍受的噪點。如何兼顧性能和效果呢，這時機智的我靈機一動，想到了Temporal大法。

「在這個世界上如果有什麼問題，Temporal解決不了，那說明你的Temporal寫的不對。」

——著名圖形科學家，沃·茲吉碩德

實現方法如下：首先，在陰影的隨機採樣的種子里，加入當前遊戲時間，使隨機採樣動起來，然後在攝像機下掛載官方的PostProcessing腳本，並使用TAA，然後降低陰影採樣率。

16次採樣率的聚光燈陰影效果，噪點簡直難以忍受：

加上TAA後的效果：

效果已經逼近32次甚至64次採樣了，對於這個結果本人是非常滿意的，除了對TAA有一定的依賴性以外，可以說這樣的實現基本沒有什麼大的毛病。