用反射探頭實現(xiàn)鏡面反射

之前看到過一個日本人寫的文章，關于如何使用Unity的反射探頭來實現(xiàn)地板的鏡面反射效果。

文章地址：http://nn-hokuson.hatenablog.com/entry/2016/10/17/202135。

核心代碼很短，主要是根據(jù)下圖所示實時更新反射探頭的位置：

image

先貼一下位置計算的代碼：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class ProbeReflection : MonoBehaviour
{
    public GameObject reflectionPlane;

    private ReflectionProbe probe;

    void Start()
    {
        this.probe = GetComponent<ReflectionProbe>();
    }

    void Update()
    {
        if(reflectionPlane == null)
        {
            return;
        }

        Camera camera = Camera.main;

        if(camera == null)
        {
            return;
        }

        float probeY = reflectionPlane.transform.position.y - camera.transform.position.y;

        this.probe.transform.position = new Vector3(
            camera.transform.position.x,
            reflectionPlane.transform.position.y + probeY,
            camera.transform.position.z
        );
    }
}

這里反射探頭設置成實時(Realtime)，Cubemap分辨率設置為2048：

image

再把地板的金屬度和光滑度都調(diào)到1，效果還是很好的，如下圖：

image

性能問題

上圖的鏡面反射效果很好，不過需要關注一下性能問題。

這里做一個測試，還是剛才那個場景，把反射探頭的 Time Slicing 設置為 No time slicing，即每幀完整的繪制一次環(huán)境，我們對比一下drawcall：

image

可以看到，如此一個簡單場景，打開探頭實時渲染后，drawcall從125翻到了540。

Unity的官方文檔對此有如下說明：

Each of the six cubemap faces must be rendered separately using a “camera
” at the probe’s origin.

The probes will need to be rendered a separate time for each reflection bounce level (see documentation on Advanced Reflection Probes for further details).

The various mipmap levels of the cubemap must undergo a blurring process to allow for glossy reflections.

首先，環(huán)境會被渲染至cubemap，而cubemap的6個面都需要各自渲染，如下圖：

image

其次，反射探頭的環(huán)境繪制還會考慮到反彈，反彈的次數(shù)由Lighting面板全局控制，如下圖：

image

最后，為了正確的計算間接高光，生成各級mipmap的時候還有一個blur操作。

性能優(yōu)化

對于實時反射探頭的性能優(yōu)化，Unity官方列了如下幾點：

1. 降低cubemap的分辨率。

2. 利用Cull Mask只渲染對環(huán)境影響較大的部分，比如天空盒。

3. 限制繪制環(huán)境的頻率，避免每幀繪制。

4. 分幀完成環(huán)境繪制。

這里的優(yōu)化方案屬于常規(guī)方式。

雙拋物面映射

此外，如果要求不是那么高，我們也不一定需要cubemap。

前項目在做環(huán)境的實時繪制時，用了另外一個方式：雙拋物面映射。

關于雙拋物面映射，知乎有一篇推導寫得很好：詳解雙拋物面環(huán)境映射。

利用雙拋物面映射，我們可以把cubemap的6次場景繪制降低為下圖的2次：

image

截圖源自 Dual Paraboloid Environment Mapping
Whitepaper。

另外，前項目只生成mipmap，并不做blur操作，代碼細節(jié)留到下篇再寫。

關于粗糙度

之前為了測試鏡面反射，我把金屬度和光滑度都設置成了1。

現(xiàn)在給地板一點粗糙度，這里我把光滑度降低為0.8，效果如下：

image

反射變得模糊了。

Unity會根據(jù)粗糙度來計算mipmap level，粗糙度越高mipmap level就越高，反射也就越模糊，代碼如下：

#ifndef UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS
#define UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS (6)
#endif

half perceptualRoughnessToMipmapLevel(half perceptualRoughness)
{
    return perceptualRoughness * UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS; 
}

half3 Unity_GlossyEnvironment (UNITY_ARGS_TEXCUBE(tex), half4 hdr, Unity_GlossyEnvironmentData glossIn)
{
    half perceptualRoughness = glossIn.roughness /* perceptualRoughness */ ;
    perceptualRoughness = perceptualRoughness*(1.7 - 0.7*perceptualRoughness); 

    half mip = perceptualRoughnessToMipmapLevel(perceptualRoughness);
    half3 R = glossIn.reflUVW;
    half4 rgbm = UNITY_SAMPLE_TEXCUBE_LOD(tex, R, mip);

    return DecodeHDR(rgbm, hdr);
}

如果我們把光滑度再降低到0.7，反射的人物顏色幾乎已經(jīng)看不見了，如下圖：

image

之前寫過一個 屏幕空間反射的材質(zhì)插件，同樣是0.7的光滑度，通過多條反射射線采樣平均，反射顏色的細節(jié)可以得到更多保留，如下圖：

image

不過以上純屬廣告，與本文無關。

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好了，拜拜！