讓移動(dòng)平臺(tái)也能享受UE4物理著色

來(lái)源： 52vr | 責(zé)任編輯：傳說(shuō)的落葉 | 發(fā)布時(shí)間： 2019-06-04 08:21 | 瀏覽量：

在演示后，我進(jìn)行了一些小小的變更。我刪除了Disney的"hotness"對(duì)幾何方面的修改。根據(jù)Eric Heitz的最新成果，我可能會(huì)再次改進(jìn)它，在陰影和蒙板間添加關(guān)聯(lián)。但我沒(méi)有在其中加入孔洞（Cavity）參數(shù)。我們?cè)朐谘菔厩斑M(jìn)行此項(xiàng)變更，但發(fā)現(xiàn)使用了可控非傳導(dǎo)性高光反射率。因此我們轉(zhuǎn)而使用Disney模型中定義的高光參數(shù)。

我特別想談到的是這個(gè)著色模型是如何適用于移動(dòng)平臺(tái)的。如您需要查看虛幻引擎4的移動(dòng)平臺(tái)渲染器，請(qǐng)查閱GDC的這些幻燈片。關(guān)于其使用的示例，請(qǐng)查看禪技術(shù)演示，這是在iPad Air上以4xMSAA 1080p在30hz下運(yùn)行的。您也可以查看靈魂技術(shù)演示。

在一開(kāi)始我們的主要目標(biāo)是想使用和高端PC相同的內(nèi)容創(chuàng)建工作流程。我們還想要支持對(duì)相同資源的渲染，這樣當(dāng)我們?cè)谝苿?dòng)設(shè)備上運(yùn)行它時(shí)，所有內(nèi)容都盡我們所能地類似于采用高端渲染器所產(chǎn)生的效果。這意味著要完成許多細(xì)節(jié)，比如將gamma值調(diào)整正確，但同時(shí)也意味著我們需要讓著色器也以相同方式運(yùn)作，這樣材質(zhì)能在PC，游戲機(jī)平臺(tái)和移動(dòng)設(shè)備上也以相同方式運(yùn)行。要完成這個(gè)目標(biāo)，我們支持在我談話中解釋過(guò)的相同材質(zhì)模型。而底色（BaseColor）、金屬色（Metallic）、高光（Specular）、粗糙度（Roughness）這些參數(shù)以完全同樣的方式產(chǎn)生作用。

很明顯，在移動(dòng)設(shè)備上的運(yùn)算能力要弱得多，所以我們不可能對(duì)每個(gè)光照都計(jì)算其BRDF（雙向反射分布函數(shù)）。實(shí)際上，我們僅僅支持動(dòng)態(tài)運(yùn)算的單方向日光。對(duì)陰影進(jìn)行預(yù)計(jì)算并將其作為貼圖空間中帶符號(hào)的距離場(chǎng)來(lái)存儲(chǔ)。所有其它光照都被烘焙到光照貼圖中。光照貼圖使用類似HDR編碼的SH定向表示來(lái)作為高端渲染器，但會(huì)根據(jù)不具有獨(dú)立的、非關(guān)聯(lián)的、alpha壓縮的特點(diǎn)的PVRTC進(jìn)行更高質(zhì)量的壓縮。類似于高端渲染器，預(yù)計(jì)算的高光使用預(yù)卷積的環(huán)境貼圖。使用的是完全相同的預(yù)卷積，并且它們根據(jù)光照貼圖進(jìn)行類似的標(biāo)準(zhǔn)化和縮放。對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，每個(gè)像素僅提取一張環(huán)境貼圖。

環(huán)境 BRDF

有趣的一點(diǎn)是我們?nèi)绾斡?jì)算環(huán)境BRDF，對(duì)于高端平臺(tái)來(lái)說(shuō)，它是使用Monte Carlo整合來(lái)進(jìn)行預(yù)計(jì)算的，并存儲(chǔ)于二維LUT中。對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的硬件來(lái)說(shuō)，依賴于貼圖提取非常消耗系統(tǒng)資源，更糟的是，OpenGL ES2的8個(gè)采樣器的限制造成了極大的使用限制。使用這個(gè)LUT來(lái)處理采樣器是完全不行的。我轉(zhuǎn)而基于Dimitar Lazarov的作品來(lái)作出了類似的解析版本。形式類似，但根據(jù)我們的著色模型和粗糙度參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。函數(shù)列于下方：

[代碼]：

				
								01
							
								<font size="3">half3 EnvBRDFApprox( half3 SpecularColor, half Roughness, half NoV )
						
								02
							
								03
							
								{
						
								04
							
								05
							
								const half4 c0 = { -1, -0.0275, -0.572, 0.022 };
						
								06
							
								07
							
								const half4 c1 = { 1, 0.0425, 1.04, -0.04 };
						
								08
							
								09
							
								half4 r = Roughness * c0 + c1;
						
								10
							
								11
							
								half a004 = min( r.x * r.x, exp2( -9.28 * NoV ) ) * r.x + r.y;
						
								12
							
								13
							
								half2 AB = half2( -1.04, 1.04 ) * a004 + r.zw;
						
								14
							
								15
							
								return SpecularColor * AB.x + AB.y;
						
								16
							
								17
							
								}</font>

這表示我們對(duì)基于光照的貼圖具有較合理的Fresnel值和粗糙度。

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在高端平臺(tái)上使用的ENVBRDF

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在移動(dòng)平臺(tái)上使用的ENVBRDF近似貼圖

我們檢測(cè)到金屬色和高光材質(zhì)輸出并不連接在一起（這意味著使用了默認(rèn)值）。傳統(tǒng)的非金屬材質(zhì)就是這樣的。本例中我們可以進(jìn)一步優(yōu)化函數(shù)。

[代碼]：

				
								01
							
								<font size="3">half EnvBRDFApproxNonmetal( half Roughness, half NoV )
						
								02
							
								03
							
								{
						
								04
							
								05
							
								// Same as EnvBRDFApprox( 0.04, Roughness, NoV )
						
								06
							
								07
							
								const half2 c0 = { -1, -0.0275 };
						
								08
							
								09
							
								const half2 c1 = { 1, 0.0425 };
						
								10
							
								11
							
								half2 r = Roughness * c0 + c1;
						
								12
							
								13
							
								return min( r.x * r.x, exp2( -9.28 * NoV ) ) * r.x + r.y;
						
								14
							
								15
							
								}</font>

我們進(jìn)行類似的優(yōu)化來(lái)完全避免使用環(huán)境貼圖。一些游戲?yàn)椴划a(chǎn)生高光而進(jìn)行優(yōu)化，但并不減少性能消耗。我們轉(zhuǎn)而使用"完全粗糙"的標(biāo)識(shí)，它將Roughness（粗糙度）設(shè)置為1并優(yōu)化常量因數(shù)。我們可以看到如下內(nèi)容：

[代碼]：

				
								1
							
								<font size="3">EnvBRDFApprox( SpecularColor, 1, 1 ) == SpecularColor * 0.4524 - 0.0024</font>

在此處我進(jìn)行了簡(jiǎn)化：

[代碼]：

				
								1
							
								<font size="3">DiffuseColor += SpecularColor * 0.45;
						
								2
							
								3
							
								SpecularColor = 0;
						
								4
							
								5
							
								</font>

我們僅對(duì)真正需要額外系統(tǒng)性能來(lái)處理的選定對(duì)象使用此標(biāo)識(shí)。

定向光源（DIRECTIONAL LIGHT）

我最后要談到的是如何計(jì)算日光。我之前談到了太陽(yáng)是唯一進(jìn)行動(dòng)態(tài)光照計(jì)算的。不幸的是，即使對(duì)于單個(gè)光照來(lái)說(shuō)，全高端著色模型依然占用了過(guò)多的系統(tǒng)性能。而我們使用EnvBRDF來(lái)以類似于預(yù)集成的方式對(duì)其一部分進(jìn)行計(jì)算。我們同時(shí)還有用來(lái)對(duì)環(huán)境貼圖取樣的反射向量。我們的想法是對(duì)用于預(yù)過(guò)濾環(huán)境貼圖的徑向?qū)ΨQ葉片進(jìn)行分析性評(píng)估，并隨后將其結(jié)果與EnvBRDF值相乘，正如我們對(duì)IBL所進(jìn)行的運(yùn)算那樣。將此視為對(duì)比入射光方向來(lái)分析性地整合葉片，而不是我們使用環(huán)境貼圖所做的數(shù)值整合。

首先，我們使用Blinn來(lái)替代GGX NDF。我們隨后使用徑向的Phong葉片來(lái)近似處理Blinn。

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Phong進(jìn)一步使用球形高斯來(lái)近似處理（approximated with a Spherical Gaussian）：

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這讓我們獲得了最終的優(yōu)化形式：

[代碼]：

				
								01
							
								<font size="3">half D_Approx( half Roughness, half RoL )
						
								02
							
								03
							
								{
						
								04
							
								05
							
								half a = Roughness * Roughness;
						
								06
							
								07
							
								half a2 = a * a;
						
								08
							
								09
							
								float rcp_a2 = rcp(a2);
						
								10
							
								11
							
								// 0.5 / ln(2), 0.275 / ln(2)
						
								12
							
								13
							
								half c = 0.72134752 * rcp_a2 + 0.39674113;
						
								14
							
								15
							
								return rcp_a2 * exp2( c * RoL - c );
						
								16
							
								17
							
								}</font>