在 Substance Painter中实现Unity Standard Shader

由于有需要在Substance Painter中显示什么样的效果，在Unity就要显示什么样的效果的需求，最近研究了几天，总算在Substance Painter中实现Unity standard的材质的渲染效果。具体效果如下：
在Unity中：

Substance Painter中：

相识度能够达到百分之八九十吧。主要是Unity的项目使用的是Gamma颜色空间，还是有很大的出入，而且还不好修改。

这一篇不再讲基础的如何在Substance Painter中自定义Shader了，不了解的可以翻一翻我之前写的。

版本相关

Unity 2019.4.40 内置渲染管线 Gamma颜色空间
Substance Painter 9

痛点

1. 阴影问题，在sp里面，阴影是取环境光里面最亮的点作为主光源位置，这个我的解决方案就是自己调，设置主光源朝向配置项，可以同步unity和sp里面的主光源朝向，那么自动生成的shadow也是一个方向的。
2. 间接光源的镜面反射，其它文章里面也说这个问题了，大都没有很好的解决方案，我这里的解决方案是通过shader去实现动态Mipmap实现，作为调试最终效果时使用。

接下来梳理一下实现过程

模型朝向同步

两个软件使用的坐标系不同，unity是左手坐标系，而sp是右手坐标系，解决方案是，在unity里面在y轴旋转180度。

保证天空球的位置正确

在unity里面，我专门搭建了一个测试环境，环境反射，直接设置了一张环境反射Cubemap

在sp里面，需要打开显示设置，然后设置背景贴图，背景曝光设置0，背景旋转设置为270，这样设置完，两个场景去采样环境全景图时，采样的位置是一致的。

贴图直接用的sp里面的，位置在项目文件夹下面

相机同步

在unity里面使用默认的透视相机，Field of View 为60

在sp里面，视角设置60度，与unity相同，记得把后期特效关闭

主光源同步

主光源同步我的思路是，在SP里面设置主光源参数，主光源参数需要一个旋转参数，主光源颜色，以及强度，主光源默认是方向光。

在SP里面，我们需要先在shader里面定义参数

显示效果

接下来比较重要的就是，在SP里面将主光源的旋转，修改为朝向，实现函数这里要感谢文心一言，它总算干了一件正事

由此获得主光源朝向。

定义一些Unity常量

要同步shader，需要将一些常量设置

SP是线性空间的，所以Standard里面一些Gamma相关的代码自动摒弃。
贴图直接使用内置的方法去获取

还有一些和Standard对应的参数

间接光漫反射的球谐光照参数，是直接写死在shader里面的

还有像在unity里面常用的一些函数，比如saturate和lerp，都直接定义出来

从SP导出贴图设置

我的设置是导出四张贴图，以后需要再加，分别是Albedo贴图，Normal，Emissive，MRA

MRA贴图由三张贴图拼接而成，三个通道分别是Metallic，Roughness，AO

在unity里面，也重写了FragmentSetup函数，修改了里面一些逻辑

本来standard比较笨重，所以，我们可以将一些没必要的设置改掉，比如工作流我确定使用金属工作里，那就不需要判断了，直接使用金属工作流

在SP里面，直接使用内置库函数去获取贴图，思路直接按照standard的思路来即可。

实现直接光照

直接光照在standard里面有多种方式，为了保证效果，我这里直接使用了效果最好，渲染最昂贵的双向表面分布函数实现，代码渲染逻辑没动，还是standard的哪一套

在SP里面，直接复制过来即可，除了一些没用的代码删除掉了，缺少什么函数，在unity复制过来改改就能用，glsl和cg区别不大。

最后，输出时，我只使用了内置diffuseShadingOutput函数输出渲染。

同样参数下，两个模型的渲染效果

实现间接光漫反射

间接光漫反射都是直接使用SH球谐光照，我在SP里面是直接写死的参数，参数是在unityframedebug里面抄的

直接将它抄给SP

实现很简单，直接用standard的函数实现即可

实现间接光镜面反射

间接光镜面反射是这里面最难实现的，主要还是mipmap的问题，如果粗糙度为0，也就是最光滑的平面的时候，可以看到，获取到的镜面反射的效果是一致的。
Unity Roughness=0

Substance Painter Roughness=0

如果Roughness加大，mipmap层级上去以后，区别就很明显了。
Unity Roughness=0.5

Substance Painter Roughness=0.5

造成这样的结果的原因是两个引擎内部的对Cubemap的mipmap采样造成的，看一下Roughness=1的结果，更加明显。
Unity Roughness= 1

Substance Painter Roughness=1

在这里，我还是先列一下实现方式，两个引擎都是通过采样环境反射球来实现的环境光的镜面反射。unity里面是通过Unity_GlossyEnvironment函数实现，支持两个Cubemap采样结果混合。

在Substance Painter里面，则是直接使用的SP内置的函数库 lib-env.glsl，里面有个方法envSample，传入方向和mipmap即可实现


粗糙度转Mipmap和Unity的也有所不同，这个代码抄至 nagnae blog

#define UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS_CUSTOM 6
real PerceptualRoughnessToMipmapLevel(real perceptualRoughness)
{
    half mip = perceptualRoughness * (1.7 - 0.7 * perceptualRoughness);
	//mip = pow( mip, 0.53 );
	mip = pow( mip, 0.4 );
	//mip = pow( mip, 0.3 );
	mip *= 0.97;
	
	//float unity_environment_lod_count = float(unity_specularprobe_lod_count);

	#if 0
		 float mipmap_end = environment_max_lod - environment_mipmap_bias;
		 float mipmap_start = mipmap_end - UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS_CUSTOM;
	#elif 0	
		 float mipmap_start = max( 0, environment_max_lod - unity_environment_lod_count );
		 float mipmap_end = min( unity_environment_lod_count, mipmap_start + UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS_CUSTOM );
	#elif 0
		 float mipmap_start = 0;
		 float mipmap_scale = environment_max_lod / unity_environment_lod_count;
		 float mipmap_tail = ( unity_environment_lod_count - UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS_CUSTOM ) * mipmap_scale - 1;
		 float mipmap_end = min( environment_max_lod, environment_max_lod - mipmap_tail*1.2 );
	#elif 1
		 float mipmap_start = 0;
		 float mipmap_end = environment_max_lod - 1.5;
	#endif

	return mip * ( mipmap_end - mipmap_start ) + mipmap_start;
}
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如果按照Substance Painter 默认的效果，结果是不理想的，环境反射越强烈，效果区别越明显，所以，我的解决方案，就是在shader里面进行一次mipmap，这是我在learnopengl学习的结果，地址：https://learnopengl.com/PBR/IBL/Specular-IBL，我实现的原理也是粗暴的进行多重采样

每个片元要进行1024次采样，这样性能很低，所以，我增加了一个配置项，可以进行一次采样，如果开启配置，实现多重采样，实现Unity内的那种顺滑的mipmap

在Roughness=0时，效果还是一致，这里不再展示。
Unity Roughness= 1

Substance Painter Roughness=1

可以看的出来，在Roughness为1时，颜色基本上相近了，只有高光范围还是有一些不同，那先这样，这也算一种解决方案。如果有更好的解决方案，欢迎小伙伴们告诉我。
Unity Roughness=0.5

Substance Painter Roughness=0.5

最终，实现了所有的直接光漫反射，直接光镜面反射 和间接光漫反射 间接光镜面反射，我们最后按照Unity的standard将颜色合并到一起，就实现了对应的效果。

Substance Painter Combie Roughness = 0.5 Metallic = 1