用反射探头实现镜面反射

之前看到过一个日本人写的文章，关于如何使用Unity的反射探头来实现地板的镜面反射效果。

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

核心代码很短，主要是根据下图所示实时更新反射探头的位置：

image

先贴一下位置计算的代码：

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
        );
    }
}

这里反射探头设置成实时(Realtime)，Cubemap分辨率设置为2048：

image

再把地板的金属度和光滑度都调到1，效果还是很好的，如下图：

image

性能问题

上图的镜面反射效果很好，不过需要关注一下性能问题。

这里做一个测试，还是刚才那个场景，把反射探头的 Time Slicing 设置为 No time slicing，即每帧完整的绘制一次环境，我们对比一下drawcall：

image

可以看到，如此一个简单场景，打开探头实时渲染后，drawcall从125翻到了540。

Unity的官方文档对此有如下说明：

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，环境会被渲染至cubemap，而cubemap的6个面都需要各自渲染，如下图：

image

其次，反射探头的环境绘制还会考虑到反弹，反弹的次数由Lighting面板全局控制，如下图：

image

最后，为了正确的计算间接高光，生成各级mipmap的时候还有一个blur操作。

性能优化

对于实时反射探头的性能优化，Unity官方列了如下几点：

降低cubemap的分辨率。
利用Cull Mask只渲染对环境影响较大的部分，比如天空盒。
限制绘制环境的频率，避免每帧绘制。
分帧完成环境绘制。

这里的优化方案属于常规方式。

双抛物面映射

此外，如果要求不是那么高，我们也不一定需要cubemap。

前项目在做环境的实时绘制时，用了另外一个方式：双抛物面映射。

关于双抛物面映射，知乎有一篇推导写得很好：详解双抛物面环境映射。

利用双抛物面映射，我们可以把cubemap的6次场景绘制降低为下图的2次：

image

截图源自 Dual Paraboloid Environment Mapping
Whitepaper。

另外，前项目只生成mipmap，并不做blur操作，代码细节留到下篇再写。

关于粗糙度

之前为了测试镜面反射，我把金属度和光滑度都设置成了1。

现在给地板一点粗糙度，这里我把光滑度降低为0.8，效果如下：

image

反射变得模糊了。

Unity会根据粗糙度来计算mipmap level，粗糙度越高mipmap level就越高，反射也就越模糊，代码如下：

#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);
}

如果我们把光滑度再降低到0.7，反射的人物颜色几乎已经看不见了，如下图：