Image Based Lighting (3)

• 前言

經過 Image Based Lighting (1)、Image Based Lighting (2) 的研究與討論，

本篇將展現實作結果並和 Unity 內建的 Standard Shader 做分析與比較。

• 比對與分析

我使用 Unity 內建的 Standard Shader 作為對照組，

將兩組使用同樣的渲染參數並排比對，

檢視在 metallic = 0 和 = 1 時的 roughness 變化的結果 (註1)，

環境光源貼圖使用我在 Image Based Lighting (1) 提到的下圖 cubemap

上排是 Standard Shader 、 下排是 Image Based Lighting (之後簡稱 IBL) 渲染 shader。

當 metallic = 0 時，roughness(粗糙度)由左至右提升的比對結果

當 metallic = 1 時，roughness(粗糙度)由左至右提升的比對結果

Unity 對於環境光照的實作是參考 "Stupid Spherical Harmonics (SH) Tricks." [1] 的計算，

使用前3階的 Table of spherical harmonics (球諧函數表) 共9個球諧係數來計算環境光照。

比較結果可以看的出來使用 IBL 的環境光照效果會比較強，所以整體顏色會比較飽和，

反射效果也比較明顯。

• 實作程式碼

主要是接續 淺談 physically based rendering (4) 的程式碼，新增間接光照的處理。

其中

float3 DiffuseIrradiance(float3 albedo, float3 normalDirection, float3 F0, float NdotV, float roughness)
{
    float3 F90 = max(1.0 - roughness, F0);
    float3 fresnel = F0 + (F90 - F0) * Schlick(NdotV);

    float3 refract = 1.0 - fresnel;
    float3 kD = refract * (1.0 - _metallic);

    float3 irradiance = texCUBE (_IrradianceD, normalDirection).rgb;
    irradiance = irradiance;

    return kD * irradiance * albedo;
}

是計算間接光照的 Diffuse 部分，可參考 Image Based Lighting (1)

float3 SpecularIBL(float3 reflectDirection, float3 F0, float NdotV, float roughness)
{
    float3 PrefilteredColor = UNITY_SAMPLE_TEXCUBE_LOD(_PrefiliterEnv, reflectDirection, roughness * UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS).rgb;

    float2 EnvBRDF = tex2Dlod(_IntegrateBRDF, float4(NdotV, roughness, 0.0, 0.0)).rg;
    return PrefilteredColor * (F0 * EnvBRDF.x + EnvBRDF.y);
}

上段程式碼是計算間接光照的Specular 部分，可參考 Image Based Lighting (2)

float3 Approx_ACES(float3 linearCol)
{
    float a = 2.51;
    float b = 0.03;
    float c = 2.43;
    float d = 0.59;
    float e = 0.14;
    return clamp((linearCol*(a*linearCol+b))/(linearCol*(c*linearCol+d)+e), 0.0, 1.0);
}

float3 ACES_tone_mapping(float3 linearCol)
{
    const float exposureBias = 2;
    return Approx_ACES(linearCol * exposureBias); 
}

最後的這一段是計算 Tone Mapping，可參考 Tone Mapping (色調映射)

• Mobile 運作效果

在 Mobile 上，為了效能考量， 我限制 IBL pre-compute 的輸出結果，

將 prefilter Enviorment map 設定為 512x512 的 cubamp ，並包含 5 個 Mipmap，

BRDF integrate map 也是限制為 512x512，

Diffuse Irradiance 則因為效果不明顯，我使用 32x32 解析度來增加效能。

在 Sony L3 運作並使用 ApowerREC 錄製視頻。

左手邊為 Unity Standard Shader，右手邊為本篇所展示的 Shader。

• References

1. Peter-Pike Sloan. "Stupid Spherical Harmonics (SH) Tricks." Presented at Game Developers 

    Conference, San Francisco, CA, February 18-22, 2008.

• 附註

1. 在 Unity Standard Shader 是使用 Smoothness (平滑度) 作為 microfacet 崎嶇參數，

    和 roughness 的關係是 roughness  = 1 - Smoothness 。