Substance Painter - Unity 效果还原的一种方法

Game Dev, Unity

美术经常有这样的困扰，“为什么我在SP里的效果是这样的，进了Unity就变成那样了？”

对于美术生产来说，不能所见即所得，进引擎的最终效果靠猜，是非常不利于美术创作的。

另一方面，没有这样的一个与引擎内效果统一的生产环境，也不利于外包的工作。

所以引擎与生产环境效果的统一，是打通PBR Pipeline的重要一环，对工业化水平的提升是非常有意义的。

目前网上找到的分享中，大都有这样的困扰，就是由于Unity和SP两边光照环境的区别，很难做到非常一致的效果。

这里给大家分享一个Unity效果还原到SP的方法，通过将Unity的光照与Shader还原到SP中，基本可以做到两边的效果比较相似。

光照环境

在SP的Shader中直接写入直接光照来统一两边表现可以比较简单的实现，这里按下不表，主要讲一下怎么把Unity的环境高光挪到SP里。

SP中是通过对环境进行重要性采样来计算IBL的，而Unity中是根据粗糙度来采样Cubemap，但是这个Cubemap是Unity提前Bake好的。


Studio 03 的mipmap，在Unity（上）与SP（下）中的对比

挖了下Unity源码，没有看到具体是怎么Bake的，所以使用了非常暴力的做法，直接把Unity烘焙好的环境球提供给SP，Shader直接采样这个Unity的Cubemap，不再采样SP自己的环境。通过这样的方式，来统一两边的环境光照。

Shader

Substance的API文档和自带的几个Shader都是很好的参考对象。

Shader相对比较直接，把Unity的算法搬过来就好，基本在以下几个地方：

Internal-DeferredReflections
UnityPBSLighting
UnityGlobalIllumination
UnityStandardBRDF
UnityImageBasedLighting

可以先把half3这些define了，把常用函数也复制过来，抄起来方便很多，这点可以参考nagnae的这篇blog文章。另外这篇文章的最后也准备了懒人包。

因为是先写了原生Unity 5.6的效果再在那个的基础上还原自己项目的Shader，这里稍微分享下原生Unity SP Shader的片段。

间接高光部分。

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half3 IndirectSpecular(LocalVectors vectors, half roughness, half occlusion)
{
    roughness = roughness*(1.7 - 0.7*roughness);

    half mip = perceptualRoughnessToMipmapLevel(roughness);
    half3 reflUVW = reflect(-vectors.eye, vectors.normal);
    
    half3 env0 = envSampleLODCustom(reflUVW, mip).rgb;

    return env0 * occlusion;
}


写Shader的过程中可以通过对比一些中间结果确定自己没跑偏，上图显示的是mip

BRDF（连人家的注释都一起抄过来），这里只有高光。

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half3 UNITY_BRDF_PBS(LocalVectors vectors, UnityStandardData data, float oneMinusReflectivity)
{
  half perceptualRoughness = SmoothnessToPerceptualRoughness (data.smoothness);
  half roughness = PerceptualRoughnessToRoughness(perceptualRoughness);

  vec3 Ln = half3(0, 1, 0);
  vec3 Hn = normalize(Ln + vectors.eye);

  float nv = saturate(dot(data.normalWorld, vectors.eye));
  float nl = saturate(dot(vectors.normal, Ln));
  float nh = saturate(dot(vectors.normal, Hn));

  float lv = saturate(dot(Ln, vectors.eye));
  float lh = saturate(dot(Ln, Hn));

  float vh = saturate(dot(vectors.eye, Hn));

  half diffuseTerm = DisneyDiffuse(nv, nl, lh, perceptualRoughness) * nl;

  half V = SmithJointGGXVisibilityTerm (nl, nv, roughness);
  half D = GGXTerm (nh, roughness);

  half specularTerm = V * D * 3.14159265359; // Torrance-Sparrow model, Fresnel is applied later
  // specularTerm * nl can be NaN on Metal in some cases, use max() to make sure it's a sane value
  specularTerm = max(0, specularTerm * nl);

  // To provide true Lambert lighting, we need to be able to kill specular completely.
  specularTerm *= any(data.specularColor) ? 1.0 : 0.0;

  // surfaceReduction = Int D(NdotH) * NdotH * Id(NdotL>0) dH = 1/(roughness^2+1)
  float surfaceReduction = 1.0 / (roughness*roughness + 1.0);

  half grazingTerm = saturate(data.smoothness + (1 - oneMinusReflectivity));

  return surfaceReduction * IndirectSpecular(vectors, perceptualRoughness, data.occlusion) * FresnelLerp(data.specularColor, vec3(grazingTerm), nv);
}

结果

放一个原生Unity配Substance Painter的效果。

写在最后的一些实用小东西

在SP里刷新Shader

SP的Custom Shader是不会实时更新效果的，如何在SP里刷新修改后的Shader呢？

首先在某个位置创建自己的glsl Shader；

然后将Shader文件拖进SP，在导入设置里选择project项；

修改了Shader文件，想要在SP中看到效果的时候，右键Shader选择Reload；

这个小技巧是参考了harayoki的分享。

Unity环境球转到Substance的一些细节

SP不认Cubemap，所以需要做一个转换。

这个Staff推荐的HDRShop我只试了v1，不太好用。推荐使用ImageViewer这个工具，很方便。

懒人包

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half Pow5 (half x)
{
    return x*x * x*x * x;
}

half SpecularStrength(half3 specular)
{
    return max (max (specular.r, specular.g), specular.b);
}

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

half DisneyDiffuse(half NdotV, half NdotL, half LdotH, half perceptualRoughness)
{
    half fd90 = 0.5 + 2 * LdotH * LdotH * perceptualRoughness;
    // Two schlick fresnel term
    half lightScatter   = (1 + (fd90 - 1) * Pow5(1 - NdotL));
    half viewScatter    = (1 + (fd90 - 1) * Pow5(1 - NdotV));

    return lightScatter * viewScatter;
}

half SmithJointGGXVisibilityTerm (half NdotL, half NdotV, half roughness)
{

    half a = roughness;
    half lambdaV = NdotL * (NdotV * (1 - a) + a);
    half lambdaL = NdotV * (NdotL * (1 - a) + a);

    return 0.5f / (lambdaV + lambdaL + 1e-5f);
}

half GGXTerm (half NdotH, half roughness)
{
    half a2 = roughness * roughness;
    half d = (NdotH * a2 - NdotH) * NdotH + 1.0f; // 2 mad
    return 0.31830988618 * a2 / (d * d + 1e-7f); // This function is not intended to be running on Mobile,
                                            // therefore epsilon is smaller than what can be represented by half
}

half3 FresnelLerp(half3 F0, half3 F90, half cosA)
{
  half t = Pow5(1 - cosA);   // ala Schlick interpoliation
  return lerp(F0, F90, t);
}

half3 DiffuseFromMetallic (half3 albedo, half metallic)
{
    float oneMinusReflectivity = OneMinusReflectivityFromMetallic(metallic);
    return albedo * oneMinusReflectivity;
}

half3 SpecularFromMetallic (half3 albedo, half metallic)
{
    return lerp (unity_ColorSpaceDielectricSpec.rgb, albedo, metallic);
}

参考

  • Substance Docs，Shader API，2021
  • Razor Yang，简单聊聊CODM的图形，2021
  • harayoki,【SubstancePainter】編集中のシェーダーをすぐさまリロードする, 2019
  • nagnae，Substance Painter’s shader for Unity，2018
  • 月光下的旅行，Substance Painter Shader与UE4移动端渲染效果同步2020
  • IanBanks, arma 3 substance shader, 2018
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