【Overload游戏引擎细节分析】PBR材质Shader---完结篇

PBR基于物理的渲染可以实现更加真实的效果,其Shader值得分析一下。但PBR需要较多的基础知识,不适合不会OpenGL的朋友。

一、PBR理论

PBR指基于物理的渲染,其理论较多,需要的基础知识也较多,我在这就不再写一遍了,具体可以参看:
LearnOpenGL PBR理论-英文 或者 LearnOpenGL PBR理论-中文

Overload也提供了这种材料,借助贴图可以实现非常真实的材质效果。下面这个例子的贴图来自LearnOpenGL,大家可以自己去下载。
在这里插入图片描述

二、PBR Shader分析

顶点着色器
#shader vertex
#version 430 core

layout (location = 0) in vec3 geo_Pos;
layout (location = 1) in vec2 geo_TexCoords;
layout (location = 2) in vec3 geo_Normal;
layout (location = 3) in vec3 geo_Tangent;
layout (location = 4) in vec3 geo_Bitangent;

/* Global information sent by the engine */
layout (std140) uniform EngineUBO
{
    mat4    ubo_Model;
    mat4    ubo_View;
    mat4    ubo_Projection;
    vec3    ubo_ViewPos;
    float   ubo_Time;
};

/* Information passed to the fragment shader */
out VS_OUT
{
    vec3        FragPos;
    vec3        Normal;
    vec2        TexCoords;
    mat3        TBN;
    flat vec3   TangentViewPos;
    vec3        TangentFragPos;
} vs_out;

void main()
{
    vs_out.TBN = mat3
    (
        normalize(vec3(ubo_Model * vec4(geo_Tangent,   0.0))),
        normalize(vec3(ubo_Model * vec4(geo_Bitangent, 0.0))),
        normalize(vec3(ubo_Model * vec4(geo_Normal,    0.0)))
    );

    mat3 TBNi = transpose(vs_out.TBN);

    vs_out.FragPos          = vec3(ubo_Model * vec4(geo_Pos, 1.0));
    vs_out.Normal           = normalize(mat3(transpose(inverse(ubo_Model))) * geo_Normal);
    vs_out.TexCoords        = geo_TexCoords;
    vs_out.TangentViewPos   = TBNi * ubo_ViewPos;
    vs_out.TangentFragPos   = TBNi * vs_out.FragPos;

    gl_Position = ubo_Projection * ubo_View * vec4(vs_out.FragPos, 1.0);
}

顶点着色器基本与standard材质一致,这里就不再分析了,具体可看standard材质Shader

片元着色器:
#shader fragment
#version 430 core

/** 模型视图矩阵、摄像机位置,使用UBO传入 */
/* Global information sent by the engine */
layout (std140) uniform EngineUBO
{
    mat4    ubo_Model;
    mat4    ubo_View;
    mat4    ubo_Projection;
    vec3    ubo_ViewPos;
    float   ubo_Time;
};

/* 顶点着色器的输出 */
/* Information passed from the fragment shader */
in VS_OUT
{
    vec3        FragPos;
    vec3        Normal;
    vec2        TexCoords;
    mat3        TBN;
    flat vec3   TangentViewPos;
    vec3        TangentFragPos;
} fs_in;

/* 光源数据用SSBO传入 */
/* Light information sent by the engine */
layout(std430, binding = 0) buffer LightSSBO
{
    mat4 ssbo_Lights[];
};

out vec4 FRAGMENT_COLOR;

uniform sampler2D   u_AlbedoMap; // 反照率贴图
uniform sampler2D   u_MetallicMap; // 金属度贴图
uniform sampler2D   u_RoughnessMap; // 粗糙度贴图
uniform sampler2D   u_AmbientOcclusionMap; // 环境光遮蔽贴图
uniform sampler2D   u_NormalMap; // 法线贴图
uniform vec4        u_Albedo                = vec4(1.0); // 反照率系数,控制反照率贴图的权重
uniform vec2        u_TextureTiling         = vec2(1.0, 1.0);
uniform vec2        u_TextureOffset         = vec2(0.0, 0.0);
uniform bool        u_EnableNormalMapping   = false;  // 是否使用法线贴图
uniform float       u_HeightScale           = 0.0;
uniform float       u_Metallic              = 1.0; // 金属度
uniform float       u_Roughness             = 1.0; // 粗糙度

const float PI = 3.14159265359;

// 计算法向分布函数D,使用Trowbridge-Reitz GGX  
float DistributionGGX(vec3 N, vec3 H, float roughness)
{
    float a      = roughness*roughness;
    float a2     = a*a;
    float NdotH  = max(dot(N, H), 0.0);
    float NdotH2 = NdotH*NdotH;
	
    float num   = a2;
    float denom = (NdotH2 * (a2 - 1.0) + 1.0);
    denom = PI * denom * denom;
	
    return num / denom;
}


float GeometrySchlickGGX(float NdotV, float roughness)
{
    float r = (roughness + 1.0);
    float k = (r*r) / 8.0;

    float num   = NdotV;
    float denom = NdotV * (1.0 - k) + k;
	
    return num / denom;
}

// Smith’s method
float GeometrySmith(vec3 N, vec3 V, vec3 L, float roughness)
{
    float NdotV = max(dot(N, V), 0.0);
    float NdotL = max(dot(N, L), 0.0);
    float ggx2  = GeometrySchlickGGX(NdotV, roughness);
    float ggx1  = GeometrySchlickGGX(NdotL, roughness);
	
    return ggx1 * ggx2;
}

// 菲涅尔项,使用Fresnel-Schlick方程
vec3 fresnelSchlick(float cosTheta, vec3 F0)
{
    return F0 + (1.0 - F0) * pow(1.0 - cosTheta, 5.0);
}

/* 将32位数字变成RGBA颜色 */
vec3 UnPack(float p_Target)
{
    return vec3
    (
        // CPU传入的数据是0-255,转换成0-1.0
        float((uint(p_Target) >> 24) & 0xff)    * 0.003921568627451,
        float((uint(p_Target) >> 16) & 0xff)    * 0.003921568627451,
        float((uint(p_Target) >> 8) & 0xff)     * 0.003921568627451
    );
}

bool PointInAABB(vec3 p_Point, vec3 p_AabbCenter, vec3 p_AabbHalfSize)
{
    return
    (
        p_Point.x > p_AabbCenter.x - p_AabbHalfSize.x && p_Point.x < p_AabbCenter.x + p_AabbHalfSize.x &&
        p_Point.y > p_AabbCenter.y - p_AabbHalfSize.y && p_Point.y < p_AabbCenter.y + p_AabbHalfSize.y &&
        p_Point.z > p_AabbCenter.z - p_AabbHalfSize.z && p_Point.z < p_AabbCenter.z + p_AabbHalfSize.z
    );
}

/*光照衰减系数,LearnOpenGL中有具体公式*/
float LuminosityFromAttenuation(mat4 p_Light)
{
    const vec3  lightPosition   = p_Light[0].rgb;
    const float constant        = p_Light[0][3];
    const float linear          = p_Light[1][3];
    const float quadratic       = p_Light[2][3];

    const float distanceToLight = length(lightPosition - fs_in.FragPos);
    const float attenuation     = (constant + linear * distanceToLight + quadratic * (distanceToLight * distanceToLight));
    return 1.0 / attenuation;
}

/* 盒状环境光 */
vec3 CalcAmbientBoxLight(mat4 p_Light)
{
    const vec3  lightPosition   = p_Light[0].rgb;
    const vec3  lightColor      = UnPack(p_Light[2][0]);
    const float intensity       = p_Light[3][3];
    const vec3  size            = vec3(p_Light[0][3], p_Light[1][3], p_Light[2][3]);

    return PointInAABB(fs_in.FragPos, lightPosition, size) ? lightColor * intensity : vec3(0.0);
}

/* 球状环境光 */
vec3 CalcAmbientSphereLight(mat4 p_Light)
{
    const vec3  lightPosition   = p_Light[0].rgb;
    const vec3  lightColor      = UnPack(p_Light[2][0]);
    const float intensity       = p_Light[3][3];
    const float radius          = p_Light[0][3];

    return distance(lightPosition, fs_in.FragPos) <= radius ? lightColor * intensity : vec3(0.0);
}

void main()
{
    vec2 texCoords = u_TextureOffset + vec2(mod(fs_in.TexCoords.x * u_TextureTiling.x, 1), mod(fs_in.TexCoords.y * u_TextureTiling.y, 1));

    vec4 albedoRGBA     = texture(u_AlbedoMap, texCoords) * u_Albedo; // Albedo反照率贴图数据
    vec3 albedo         = pow(albedoRGBA.rgb, vec3(2.2)); // 这种反照率处理方式与LearOpenGL一致
    float metallic      = texture(u_MetallicMap, texCoords).r * u_Metallic; // 金属度
    float roughness     = texture(u_RoughnessMap, texCoords).r * u_Roughness; // 粗糙度
    float ao            = texture(u_AmbientOcclusionMap, texCoords).r; // 环境光遮蔽AO
    vec3 normal;

    if (u_EnableNormalMapping) // 是否使用法线贴图
    {
        normal = texture(u_NormalMap, texCoords).rgb; // 法线贴图的原始值
        normal = normalize(normal * 2.0 - 1.0);   // 法线贴图矢量坐标范围变成-1到1
        normal = normalize(fs_in.TBN * normal);   // 变换到全局坐标系下
    }
    else
    {
        normal = normalize(fs_in.Normal); // 使用顶点着色器输出的法线
    }

    vec3 N = normalize(normal); 
    vec3 V = normalize(ubo_ViewPos - fs_in.FragPos); // 计算视线方向

    vec3 F0 = vec3(0.04); 
    F0 = mix(F0, albedo, metallic); // 插值方式得到平面的基础反射率F0
	           
    // reflectance equation
    vec3 Lo = vec3(0.0);
    vec3 ambientSum = vec3(0.0); // 环境光结果

    for (int i = 0; i < ssbo_Lights.length(); ++i) 
    {
        // 两种环境光灯光
        if (int(ssbo_Lights[i][3][0]) == 3)
        {
            ambientSum += CalcAmbientBoxLight(ssbo_Lights[i]);
        }
        else if (int(ssbo_Lights[i][3][0]) == 4)
        {
            ambientSum += CalcAmbientSphereLight(ssbo_Lights[i]);
        }
        else
        {
            // calculate per-light radiance
            // 光源方向
            vec3 L = int(ssbo_Lights[i][3][0]) == 1 ? -ssbo_Lights[i][1].rgb : normalize(ssbo_Lights[i][0].rgb - fs_in.FragPos);
            vec3 H = normalize(V + L);// 半程向量
            float distance    = length(ssbo_Lights[i][0].rgb - fs_in.FragPos);
            float lightCoeff = 0.0; // 最终到片元处的光强系数 

            switch(int(ssbo_Lights[i][3][0]))
            {
                case 0:
                    lightCoeff = LuminosityFromAttenuation(ssbo_Lights[i]) * ssbo_Lights[i][3][3]; // 点光源要考虑随距离衰减
                    break;

                case 1:
                    lightCoeff = ssbo_Lights[i][3][3]; // 方向光无衰减
                    break;

                // 聚光灯的计算
                case 2:
                    const vec3  lightForward    = ssbo_Lights[i][1].rgb;
                    const float cutOff          = cos(radians(ssbo_Lights[i][3][1]));
                    const float outerCutOff     = cos(radians(ssbo_Lights[i][3][1] + ssbo_Lights[i][3][2]));

                    const vec3  lightDirection  = normalize(ssbo_Lights[i][0].rgb - fs_in.FragPos);
                    const float luminosity      = LuminosityFromAttenuation(ssbo_Lights[i]);

                    /* Calculate the spot intensity */
                    const float theta           = dot(lightDirection, normalize(-lightForward)); 
                    const float epsilon         = cutOff - outerCutOff;
                    const float spotIntensity   = clamp((theta - outerCutOff) / epsilon, 0.0, 1.0);

                    lightCoeff = luminosity * spotIntensity * ssbo_Lights[i][3][3];
                    break;
            }

            vec3 radiance = UnPack(ssbo_Lights[i][2][0]) * lightCoeff;
            
            // cook-torrance brdf
            float NDF = DistributionGGX(N, H, roughness); // 法线分布函数
            float G   = GeometrySmith(N, V, L, roughness); // 几何函数
            vec3 F    = fresnelSchlick(max(dot(H, V), 0.0), F0); // 菲涅尔项
            
            vec3 kS = F;
            vec3 kD = vec3(1.0) - kS;
            kD *= 1.0 - metallic;
            
            vec3 numerator    = NDF * G * F;
            float denominator = 4.0 * max(dot(N, V), 0.0) * max(dot(N, L), 0.0);
            vec3 specular     = numerator / max(denominator, 0.001);
                
            // add to outgoing radiance Lo
            float NdotL = max(dot(N, L), 0.0);
            Lo += (kD * albedo / PI + specular) * radiance * NdotL; 
        }
    }

    vec3 ambient = ambientSum * albedo * ao;// 环境光最终贡献
    vec3 color = ambient + Lo; // 环境光与cook-torrance模型累加
	
    // HDR色调映射
    color = color / (color + vec3(1.0));
    // gamma 矫正
    color = pow(color, vec3(1.0/2.2));  
   
    FRAGMENT_COLOR = vec4(color, albedoRGBA.a); // alpha使用反照率贴图
}

Fragment Shader大体分为三部分:

  1. 从贴图中获取反照率、金属度、粗糙度、法线数据
  2. 计算灯光光照,环境光灯光只影响环境光;方向光、聚光灯、点光源会影响光强lightCoeff,最终的光照使用cook-torrance模型进行计算,公式可以参考LearnOpenGL
  3. 最后进行环境光与PBR模型结果进行叠加,并进行色调映射与gamma矫正,这里使用的公式在LearnOpenGL中都有的

总结:
这个PBR Shader整体上与LearnOpenGL中的理论一致,看完LearnOpenGL之后再看这个Shader就比较简单了。

完结总结:

写的这里,这个专栏暂时告一段落了,主要分析了Overload的Render模块,其他的包括UI、物理引擎、音频等模块没有涉及。Overload是一个Demo性质的游戏引擎,其渲染涉只涉及最基础的渲染方式,是对OpenGL简单封装,远远满足不了实际游戏开发需求,只能作为渲染引擎入门。
另外,这个专栏的文章只聚焦一些细节,对应架构涉及很少,因为本人发现架构方面的文章参考性不大,一旦一个软件定型架构方面的改动很困难,读了软件架构的文章也很难在工作中用上。故单纯只介绍一个技术点反而可能拿来直接使用。最后希望能对大家有所帮助!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mfbz.cn/a/110621.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系我们进行投诉反馈qq邮箱809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

【Vue】vant上传封装方法,van-uploader上传接口封装

项目场景&#xff1a; 问题描述 提示&#xff1a;这里描述项目中遇到的问题&#xff1a; 在移动端项目中&#xff0c;使用vant组件上传&#xff0c;但是vant没有上传方法&#xff0c;需要自己写。 html代码 <van-uploader v-model"fileList" :max-size"50…

SV-10A-4G IP网络报警非可视终端 (4G版)

SV-10A-4G IP网络报警非可视终端 &#xff08;4G版&#xff09; https://item.taobao.com/item.htm?spma21dvs.23580594.0.0.621e3d0dpv5knb&ftt&id745728046948 产品简介&#xff1a; 通过局域网/广域网网组网的网络报警系统&#xff0c;改变传统局域网组网…

[Linux C] signal 的使用

前言&#xff1a; signal 是一种通信机制&#xff0c;可以跨进程发送&#xff0c;可以同进程跨线程发送&#xff0c;可以不同进程向指定线程发送。 信号的创建有两套api&#xff0c;一个是signal&#xff0c;一个是sigaction&#xff0c;signal缺陷很多&#xff0c;比如没有提…

【脚本笔记】AssetDatabase

AssetDatabase是编辑器下的处理资源操作的重要类&#xff0c;主要用于访问资源并针对资源执行操作的接口。 这里面所有的操作路径都是基于Unity项目的相对路径也就是Assets/xxx或者Assets/xxx.jpg这种。CacheServer 主要解决的是缩短大型团队导入资源的时间。当配置后&#xff…

论文阅读——InstructGPT

论文&#xff1a;Training_language_models_to_follow_instructions_with_human_feedback.pdf (openai.com) github&#xff1a;GitHub - openai/following-instructions-human-feedback 将语言模型做得更大并不能从本质上使它们更好地遵循用户的意图。例如&#xff0c;大型语…

命令模式——让程序舒畅执行

● 命令模式介绍 命令模式&#xff08;Command Pattern&#xff09;&#xff0c;是行为型设计模式之一。命令模式相对于其他的设计模式来说并没有那么多条条框框&#xff0c;其实并不是一个很“规矩”的模式&#xff0c;不过&#xff0c;就是基于一点&#xff0c;命令模式相对于…

搭载紫光展锐芯片平台W117,小米手表S3全新上市

近日&#xff0c;搭载紫光展锐W117芯片平台的全新小米手表S3正式上市。该款手表主打“独立通话&#xff0c;强劲续航”&#xff0c;设计延续了经典腕表精致外观&#xff0c;基础表盘质感全⾯提升。同时小米手表S3首创“百变表圈”&#xff0c;用户可以根据需求自行更换不同表圈…

【自然语言处理】【长文本处理】RMT:能处理长度超过一百万token的Transformer

相关博客 【自然语言处理】【长文本处理】RMT&#xff1a;能处理长度超过一百万token的Transformer 【自然语言处理】【大模型】MPT模型结构源码解析(单机版) 【自然语言处理】【大模型】ChatGLM-6B模型结构代码解析(单机版) 【自然语言处理】【大模型】BLOOM模型结构源码解析(…

2023年05月 Python(二级)真题解析#中国电子学会#全国青少年软件编程等级考试

Python等级考试&#xff08;1~6级&#xff09;全部真题・点这里 一、单选题&#xff08;共25题&#xff0c;每题2分&#xff0c;共50分&#xff09; 第1题 运行以下程序&#xff0c;如果通过键盘先后输入的数是1和3&#xff0c;输出的结果是&#xff1f;&#xff08; &#x…

学习视频剪辑:如何从指定时段快速抽出视频图片!高效技巧分享

随着数字媒体的普及&#xff0c;越来越多的人开始接触视频剪辑。在视频剪辑过程中&#xff0c;有时候我们需要从指定时段快速抽出视频图片。这不仅可以帮助我们提高剪辑效率&#xff0c;还可以让我们的视频更加丰富多彩。本文将分享一些高效技巧&#xff0c;帮助你轻松实现从指…

企业计算机电脑中了locked勒索病毒怎么办,勒索病毒解密,数据恢复

网络技术的不断发展&#xff0c;为我们的企业带来了很大的便利&#xff0c;大部分企业都会选择合适的办公软件系统&#xff0c;方便自身的生产与运营。近期&#xff0c;网络上的locked勒索病毒又开始攻击企业的计算机服务器了&#xff0c;经过10月份云天数据恢复中心对企业数据…

基于机器视觉的银行卡识别系统 - opencv python 计算机竞赛

1 前言 &#x1f525; 优质竞赛项目系列&#xff0c;今天要分享的是 基于深度学习的银行卡识别算法设计 该项目较为新颖&#xff0c;适合作为竞赛课题方向&#xff0c;学长非常推荐&#xff01; &#x1f9ff; 更多资料, 项目分享&#xff1a; https://gitee.com/dancheng…

水果FL Studio21.2体验版下载安装教程(增加云服务功能)

FL Cloud 音效库包含开放版权的Loop和采样&#xff0c;以及来自 FL Studio 著名用户的艺术家独家内容。更新后&#xff0c;现在还可以使用人工智能辅助母带处理和数字发行功能来制作音轨。FL Studio 由最初的 "Fruity Loops" DAW 发展而来&#xff0c;25 年来&#x…

非母语玩家如何撰写英文研究性论文:2 Methodology

参考书——《Science Research Writing for non-native Speakers of English》 文章目录 1 Structure 结构2 语法和写作技巧2.1 Passives and Tense Pairs: 被动语态以及时态对2.2 a与the的使用方法2.3 Adverbs and adverb location: 副词及其位置 3 Build a Model——构建Meth…

Linux系统封装ISO镜像(自动安装)

一、准备一个系统 centos7或者centos8都可以;最小化或者桌面版的都可以,自行选择 二、安装自定义镜像工具 yum -y install createrepo mkisofs openssl rsync syslinux三、挂载镜像 创建挂载点 mkdir /mnt/cdrommount /dev/sr0 /mnt/cdrom四、同步 /mnt/cdrom/ 下的文件到 …

基于深度学习的安全帽识别检测系统(python OpenCV yolov5)

收藏和点赞&#xff0c;您的关注是我创作的动力 文章目录 概要 一、研究的内容与方法二、基于深度学习的安全帽识别算法2.1 深度学习2.2 算法流程2.3 目标检测算法2.3.1 Faster R-CNN2.3.2 SSD2.3.3 YOLO v3 三 实验与结果分析3.1 实验数据集3.1.1 实验数据集的构建3.1.2 数据…

【Python】Python语法速成

目录 一、Python中的概念 二、Python和C/C++中的一些不同点 三、分支语句 四、for循环 五、函数 六、列表[]

CTB810 HN800 58914444 NDPI-02 DSTC190

CTB810 HN800 58914444 NDPI-02 DSTC190 控制微系统公司宣布推出SCADASense 4203&#xff0c;这是一款高精度集成气体流量计算机&#xff0c;集成了多变量传感器和完整的SCADAPack PLC。作为SCADASense系列流量和压力变送器的最新成员&#xff0c;4203设计用于各种过程控制应…

微信小程序的踩坑记录

问题记录&#xff1a; 嵌套太深 导致不起作用 点击我的工单 但是打印的结果值却是我的问题 没有点到我的工单上边去 原因&#xff1a;图片粘连在一起 解决方案:给图片100% 达到父元素的100% 最后成功蓝色的不粘连

innovus:命令返回列表元素超过显示上限如何解决

我正在「拾陆楼」和朋友们讨论有趣的话题&#xff0c;你⼀起来吧&#xff1f; 拾陆楼知识星球入口 相关文章链接&#xff1a; innovus IMPSP-270 place阶段lib_cell找不到可放置位置问题 all_fanout等命令&#xff0c;返回列表太长&#xff0c;超过显示上限&#xff08;默认…
最新文章