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유니티 물리 기반 쉐이더 개발

• 번역판
• source

Legacy(Built-in)쉐이더로 작성되어있는데, 어차피 Legacy사용법도 잘 모르고 URP로 곧바로 연습해 보도록 하자.

URP (Universal Render Pipeline)

• Dev Weeks: URP 기본 구성과 흐름
• Dev Weeks: URP 셰이더 뜯어보기

Packages/
|-- Core RP Library/
|  |-- ShaderLibrary/
|  |  |-- SpaceTransform.hlsl - 공간변환 행렬. Tangent<->World행렬
|  |  |-- Common.hlsl - 각종 수학. 텍스쳐 유틸, 뎁스 계산 ..
|  |  |-- >>> EntityLighting.hlsl - SH, ProveVolume, Lightmap계산 ???
|  |  |-- ImageBasedLighting - IBL관련 부분(GGX, Anisotropy, ImportanceSample)
|-- Universal RP/
|  |-- ShaderLibrary/
|  |  |-- Core.hlsl - 버텍스 인풋 구조체, 스크린UV계산,Fog계산
|  |  |-- Lighting.hlsl - 라이트 구조체, diffuse, specular, GI
|  |  |-- Shadows.hlsl - 쉐도우맵 샘플링, 캐스케이드 계산, ShadowCoord계산 , Shadow Bias계산
|  |-- Shaders/

1장. 셰이더 개발 과정

Forward

for object in objects
    for light in lights
        FrameBuffer = LightModel(object, light);
    end
end

for light in lights
    for object in GetObjectsAffectedByLight(light)
        FrameBuffer += LightModel(object, light);
    end
end

라이트 갯수 증가> 연산량 증가

Deferred

for object in objects:
  GBuffer = GetLightingProperties(object)
end

for light in lights
  Framebuffer += LightModel(GBuffer, light)
end

• 반투명 불가
• URP - 현재(10.3.1) deferred 지원 안함.
  • URP 로드맵
• 블라인드 렌더러 - 새로운 기법 != 새 장난감

2장. 첫 유니티 셰이더

• Built-in vs URP

Create> Rendering> Universal Render Pipeline> Pipeline Asset(Forward Renderer)

Assets/
|-- UniversalRenderPipelineAsset.asset
|-- UniversalRenderPipelineAsset_Renderer.asset

Project Settings> Graphics> Scriptable Render Pipeline Settings> UniversalRenderPipelineAsset.asset

UniversalRenderPipelineAsset.asset> Quality> HDR check

Project Settings> Player> Other Settings> Color Space> Linear

• URP unlit basic shader

Tags { "RenderType" = "Opaque" "RenderPipeline" = "UniversalPipeline" }
Tags { "LightMode" = "SRPDefaultUnlit" } // 라이트 모드 태그 기본값

• URP ShaderLab Pass tags

LightMode	URP Support
UniversalForward	O
UniversalGBuffer	O
UniversalForwardOnly	O
Universal2D	O
ShadowCaster	O
DepthOnly	O
Meta	O
SRPDefaultUnlit	O(기본값)
Always	X
ForwardAdd	X
PrepassBase	X
PrepassFinal	X
Vertex	X
VertexLMRGBM	X
VertexLM	X

3장. 그래픽스 파이프라인

// #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Core.hlsl"
// |-- #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Common.hlsl"

// Core RP Library/ShaderLibrary/SpaceTransforms.hlsl

// UNITY_MATRIX_M * (UNITY_MATRIX_VP * positionOS)

float4 TransformObjectToHClip(float3 positionOS)
{
    // More efficient than computing M*VP matrix product
    return mul(GetWorldToHClipMatrix(), mul(GetObjectToWorldMatrix(), float4(positionOS, 1.0)));
}

4장. 좌표 공간 변환

Space
WS	world space
VS	view space
OS	object space
CS	Homogenous clip spaces
TS	tangent space
TXS	texture space

built-in(legacy)	URP
UnityObjectToWorldDir	TransformObjectToWorldDir
UnityObjectToWorldNormal	TransformObjectToWorldNormal
UnityWorldSpaceViewDir	TransformWorldToViewDir
UnityWorldSpaceLightDir	x

float4x4 GetObjectToWorldMatrix() UNITY_MATRIX_M;
float4x4 GetWorldToObjectMatrix() UNITY_MATRIX_I_M;
float4x4 GetWorldToViewMatrix()   UNITY_MATRIX_V;
float4x4 GetWorldToHClipMatrix()  UNITY_MATRIX_VP;
float4x4 GetViewToHClipMatrix()   UNITY_MATRIX_P;

built-in(legacy)	URP
UnityObjectToClipPos	TransformObjectToHClip
UnityWorldToClipPos	TransformWorldToHClip
UnityViewToClipPos	TransformWViewToHClip

• https://github.com/Unity-Technologies/Graphics/tree/master/com.unity.render-pipelines.core
• https://github.com/Unity-Technologies/Graphics/tree/master/com.unity.render-pipelines.universal

5장. 최초 라이팅 셰이더

// #include "Packages/com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl"
struct Light
{
    half3   direction;
    half3   color;
    half    distanceAttenuation;
    half    shadowAttenuation;
};

Light GetMainLight()
    light.direction = _MainLightPosition.xyz;

Light GetMainLight(float4 shadowCoord)

// #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/Macros.hlsl"
#define TRANSFORM_TEX(tex, name) ((tex.xy) * name##_ST.xy + name##_ST.zw)


// #include "Packages/com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/API/D3D11.hlsl"
#define SAMPLE_TEXTURE2D(textureName, samplerName, coord2)                               textureName.Sample(samplerName, coord2)

• URP - Drawing a texture

6장. 스펙큘러 구현

• TODO 더 많은 광원 지원하기(2 Directional Light)
• https://catlikecoding.com/unity/tutorials/scriptable-render-pipeline/lights/

7장. 서피스 셰이더

• Surface는 URP에서 안쓸꺼라서 Vert/Frag로 구현
  • 2개 Albedo를 lerp시키는것.
  • NormapMap적용.

8장. 물리 기반 셰이딩이란?

• 빛을 측정하는 방법

	단위	설명
입체각 Solid Angle	sr(steradian)	단위 구로 어떠한 형상을 사영한 것.
파워 Power	W	여러 방향에서 표면을 통과해 전달되는 에너지 크기
일레디안스 Irradiance	E (W/m^2)	모든 광선에서 점에 전달되는 빛의 크기
레디안스 Radiance	L_0 (W/(m^2 * sr))	하나의 광선에서 점에 전달되는 빛의 크기

• 재질을 표현하는 방법

양방향 반사 분포 함수 BRDF Bidirectional Reflectance Distribution Function 빛이 표면에서 어떻게 반사될지에 대해 정의한 함수.

BRDF 속성
positivity	BRDF값은 0이상이다
symmetry (reciprocity)	빛이 들어오는 방향과 반사되는 방향의 값은 동일하다
conservation of energy	나가는 빛의 양은 들어오는 빛의 양을 넘어설 수 없다(물체가 자체적으로 빛을 발산하지 않는다면)

9장. 물리 기반 셰이더 제작하기

half3 LightingPhong(half3 lightColor, half3 lightDir, half3 normal, half3 viewDir, half4 specularColor, half3 albedo, half shininess)
{
    half NdotL = saturate(dot(normal, lightDir));
    half3 diffuseTerm = NdotL * albedo * lightColor;

    half3 reflectionDirection = reflect(-lightDir, normal);
    half3 specularDot = max(0.0, dot(viewDir, reflectionDirection));
    half3 specular = pow(specularDot, shininess);
    half3 specularTerm = specularColor.rgb * specular * lightColor;

    return diffuseTerm + specularTerm;
}

// Lafortune and Willems (1994)
half3 LightingPhongModified(half3 lightColor, half3 lightDir, half3 normal, half3 viewDir, half4 specularColor, half3 albedo, half shininess)
{
    half NdotL = saturate(dot(normal, lightDir));
    half3 diffuseTerm = NdotL * albedo * lightColor;

    half norm = (shininess + 2) / (2 * PI);

    half3 reflectionDirection = reflect(-lightDir, normal);
    half3 specularDot = max(0.0, dot(viewDir, reflectionDirection));

    half3 specular = norm * pow(specularDot, shininess);

    half3 specularTerm = specularColor.rgb * specular * lightColor;

    return diffuseTerm + specularTerm;
}

10장. 후처리 효과

// com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/API/D3D11.hlsl
#define SAMPLE_TEXTURE2D(textureName, samplerName, coord2)                               textureName.Sample(samplerName, coord2)
#define SAMPLE_DEPTH_TEXTURE(textureName, samplerName, coord2)          SAMPLE_TEXTURE2D(textureName, samplerName, coord2).r

// com.unity.render-pipelines.core/ShaderLibrary/API/Common.hlsl
// Z buffer to linear 0..1 depth (0 at near plane, 1 at far plane).
// Does NOT correctly handle oblique view frustums.
// Does NOT work with orthographic projection.
// zBufferParam = { (f-n)/n, 1, (f-n)/n*f, 1/f }
float Linear01DepthFromNear(float depth, float4 zBufferParam)
{
    return 1.0 / (zBufferParam.x + zBufferParam.y / depth);
}

// Z buffer to linear 0..1 depth (0 at camera position, 1 at far plane).
// Does NOT work with orthographic projections.
// Does NOT correctly handle oblique view frustums.
// zBufferParam = { (f-n)/n, 1, (f-n)/n*f, 1/f }
float Linear01Depth(float depth, float4 zBufferParam)
{
    return 1.0 / (zBufferParam.x * depth + zBufferParam.y);
}

// Z buffer to linear depth.
// Does NOT correctly handle oblique view frustums.
// Does NOT work with orthographic projection.
// zBufferParam = { (f-n)/n, 1, (f-n)/n*f, 1/f }
float LinearEyeDepth(float depth, float4 zBufferParam)
{
    return 1.0 / (zBufferParam.z * depth + zBufferParam.w);
}

// Z buffer to linear depth.
// Correctly handles oblique view frustums.
// Does NOT work with orthographic projection.
// Ref: An Efficient Depth Linearization Method for Oblique View Frustums, Eq. 6.
float LinearEyeDepth(float2 positionNDC, float deviceDepth, float4 invProjParam)
{
    float4 positionCS = float4(positionNDC * 2.0 - 1.0, deviceDepth, 1.0);
    float  viewSpaceZ = rcp(dot(positionCS, invProjParam));

    // If the matrix is right-handed, we have to flip the Z axis to get a positive value.
    return abs(viewSpaceZ);
}

// Z buffer to linear depth.
// Works in all cases.
// Typically, this is the cheapest variant, provided you've already computed 'positionWS'.
// Assumes that the 'positionWS' is in front of the camera.
float LinearEyeDepth(float3 positionWS, float4x4 viewMatrix)
{
    float viewSpaceZ = mul(viewMatrix, float4(positionWS, 1.0)).z;

    // If the matrix is right-handed, we have to flip the Z axis to get a positive value.
    return abs(viewSpaceZ);
}

	Built-in	URP
Camera	Camera:	RenderPipelineManager
	OnPreCull	beginFrameRendering
	OnPreRender	beginCameraRendering
	OnPostRender	endCameraRendering
	OnRenderImage	endFrameRendering

Create> Rendering> Universal Render Pipeline> Renderer Feature

	자동 생성됨
_CameraDepthTexture	O	Pipeline Settings> Depth Texture
_CameraOpaqueTexture	O	Pipeline Settings> Opaque Texture
_CameraColorTexture	??
_CameraDepthNormalsTexture	X

• https://docs.unity3d.com/Packages/com.unity.render-pipelines.universal@10.3/manual/integration-with-post-processing.html

- Camera> Rendering> Post-Processing 체크
- Hierachy> Volume> Global Volume
- Global Volume> Volume> Profile> New
- Global Volume> Volume> Add Override

11장. BRDF 누가 누구인가?

• https://github.com/wdas/brdf
• https://github.com/wdas/brdf/downloads
• https://www.disneyanimation.com/publications/physically-based-shading-at-disney/
• [ 번역 ] Physically-Based Shading at Disney

기호	설명
N	노말
H	하프벡터 H = normalize( L + V )
L	라이트(광원)
V	뷰(카메라)
T	탄젠트
Θ	(Theta) 방위각
Φ	(Phi) 앙각(올려본각)

BRDF 종류

Ashikhmin Shirley 어크먼 셜리

2000 - Michael Ashikhmin & Peter Shirley - An Anisotropic Phong BRDF Model

퐁 스펙큘러

Cook Torrance 쿡토렌스

1982 - Robert L.Cook & Kenneth E. Torrance - A Reflectance Model For Computer Graphics

미세면이론

Oren Nayar 오렌네이어

1994 - Michael Oren & Shree K. Nayar - Generalization of Lambert’s Reflectance Model

디퓨즈 전용

Ward 알드

1992 - Gregory J. Ward - Measuring and modeling anisotropic reflection

경험적 데이터 기반, 거의 사용되지 않음.

Disney 디즈니

SIGGRAPH 2012 - Brent Burley - Physically Based Shading at Disney

여러 파라미터

12장. BRDF 구현하기

• 참고
  • [NDC19] 모바일에서 사용가능한 유니티 커스텀 섭스턴스 PBR 셰이더 만들기

레퍼런스 BRDF

Cook Torrance 레퍼런스

Physics and Math of Shading by Naty Hoffman	SIGGRAPH every year from 2012 to 2015
Real Shading in Unreal Engine 4 by Brian Karis	SIGGRAPH, 2013
BRDF Explorer (GLSL) - CookTorrance BRDF
Specular BRDF Reference on Brian Karis’ blog	<graphicrants.blogspot.co.uk/2013/08/specular-brdf-reference.html>
Introduction to BRDF Models by Daniël Jimenez Kwast
A Reflectance Model for Computer Graphics from 1981
Understanding the Masking-Shadowing Function in Microfacet-Based BRDFs by Eric Heitz	SIGGRAPH, 2014 - 미세면이해 추천
Microfacet Models for Refraction through Rough Surfaces	EGSR, 2017

Disney 레퍼런스

Physically Based Shading at Disney	SIGGRAPH, 2012, by Brent Burley
BRDF Explorer (GLSL) - Disney BRDF
Extending the Disney BRDF to a BSDF with Integrated Subsurface Scattering	SIGGRAPH, 2015, by Brent Burley
Moving Frostbite to Physically Based Rendering	SIGGRAPH, 2015, by Sébastien Lagarde and Charlesde Rousiers (only for the Diffuse)

이론 BRDF

Cook Torrance 이론

미세면 이론

			관여 벡터
D	Normal Distribution Function	정규분포함수	(H)	양수	크기, 밝기, 스펙큘러 모양
F	Fresnel	프레넬	(L, H)	0 ~ 1	보는 각도에 따른 반사율과 굴절율
G	Geometry	기하함수	(L, V, H)		면이 서로 겹쳐서 빛을 차단하는 정도의 근사치를 통계적으로 구한다.

• NDF (Normal Distribution Function)
  • Beckmann
  • Phong
  • GGX

책의 구현에서는

D	Trowbridge-Reitz GGX
F	Fresnel-Schlick
G	Smith's Schlick-GGX

Disney 이론

구현 BRDF

Cook Torrance 구현

Disney 구현

13장. 표준 셰이더 후킹

• 16장. 복잡도와 우버셰이더 참조.

// com.unity.render-pipelines.universal/ShaderLibrary/Lighting.hlsl

struct BRDFData
{
    half3 albedo;
    half3 diffuse;
    half3 specular;
    half reflectivity;
    half perceptualRoughness;
    half roughness;
    half roughness2;
    half grazingTerm;

    // We save some light invariant BRDF terms so we don't have to recompute
    // them in the light loop. Take a look at DirectBRDF function for detailed explaination.
    half normalizationTerm;     // roughness * 4.0 + 2.0
    half roughness2MinusOne;    // roughness^2 - 1.0
};

• Custom Shader GUI
• ShaderGUI: Custom Material Inspectors in Unity 5+

14장. 고급 기술 구현

반투명 (Translucency)

반투명은 BRDF로 처리하기 곤란.

BRDF	Bidirectional reflectance distribution function	는 빛이 어떤 방향으로 반사가 되는지
BTDF	Bidirectional transmittance distribution function	는 빛이 어떤 방향으로 투과가 되는지
BSDF	Bidirectional scattering distribution function	이 둘을 합쳐 빛이 재질과 어떻게 상호작용하는지

• TODO 예제에서 2개의 Directional Light사용...

// ref: GPG Pro 2

//Translucency
// - 노말과 라이트의 하프의 역방향에 (물체 뒷부분)
// - 뷰를 닷연산으로 묶어준다. (확산효과)

float thickness = SAMPLE_TEXTURE2D(_Thickness, sampler_Thickness, IN.uv).r;
float3 translucencyLightDir = L + N * _Distortion;
float translucencyDot = pow(saturate(dot(V, -translucencyLightDir)), _Power) * _Scale;
float3 translucency = translucencyDot * thickness * _SubsurfaceColor.rgb;
diffuse += translucency;

IBL

• https://github.com/netpyoung/vs.shader-developing-using-unity#50-image-based-lighting

Cubemap생성 도구
cmftStudio	BSD 2
Knald's Lys	Commercial
IBLBaker	MIT License
CubeMapGen	old

15장. 아티스트가 사용할 셰이더 제작

아티스트가 조작하기 편하게

1. 적절한 셋팅 갯수
2. 적절한 셋팅 네이밍
3. 상호 작용하는 셋팅값을 위한 문서화
4. 텍스쳐에 여러 정보(albedo + specular등)을 넣는 경우가 많은데, 명확하게 셋팅값과 셋팅 네이밍을 표시
5. 여러 범위 혼합사용 피하기(되도록이면 0 ~ 1로...)

파라미터 변화값 별로 예제 씬 있으면 좋겠네..

16장. 복잡도와 우버셰이더

쉐이더 하나를 이용해서 여러가지 경우를 처리하고 싶은 경우, 필요한 모든 코드를 쉐이더 하나에 집어넣게되면 그게 바로 우버셰이더.

• if와 같은 동적분기는 성능저하.
• #if와 같이 전처리기를 이용한, 정적 분기를 이용하여 처리한다.

유니티에서는 키워드를 이용 쉐이더 조합을 편리하게 해주는 기능이 있음.

• Shader variants and keywords

• 총 256개의 글로벌 키워드.

• 64개의 로컬 키워드.

• #pragma shader_feature KEYWORD

• #pragma multi_compile KEYWORD

	게임빌드에 포함
shader_feature	사용되는 것만
multi_compile	조합 가능한 모든 것

#pragma multi_compile A B C
#pragma multi_compile D E

조합해서 나올 수 있는 총 갯수: 6개
A+D, B+D, C+D
A+E, B+E, C+E

[KeywordEnum(Off, On)] _UseNormal("Use Normal Map", Float) = 0 
#pragma shader_feature _USENORMAL_OFF _USENORMAL_ON
#if _USENORMAL_ON
#endif


[Toggle] _ModifiedMode("Modified?", Float) = 0
#pragma shader_feature _MODIFIEDMODE_OFF _MODIFIEDMODE_ON
#if _MODIFIEDMODE_ON
#endif

17장. 셰이더가 정상작동하지 않을 때

일반적 트릭

• shader로 노말값 시각화

struct Attributes
{
    float4 positionOS   : POSITION;
    float3 normalOS     : NORMAL;
    float4 tangent      : TANGENT;
    float2 uv           : TEXCOORD0;
};

struct Varyings
{
    float4 positionHCS      : SV_POSITION;
    float2 uv               : TEXCOORD0;

    float3 T                : TEXCOORD1;
    float3 B                : TEXCOORD2;
    float3 N                : TEXCOORD3;

    float3 positionWS       : TEXCOORD4;
};

// ----------
inline void ExtractTBN(in half3 normalOS, in float4 tangent, inout half3 T, inout half3  B, inout half3 N)
{
    N = TransformObjectToWorldNormal(normalOS);
    T = TransformObjectToWorldDir(tangent.xyz);
    B = cross(N, T) * tangent.w * unity_WorldTransformParams.w;
}

inline half3 CombineTBN(in half3 tangentNormal, in half3 T, in half3  B, in half3 N)
{
    return mul(tangentNormal, float3x3(normalize(T), normalize(B), normalize(N)));
}

Varyings vert(Attributes IN)
{
    //Varyings OUT;
    Varyings OUT = (Varyings)0;;
    OUT.positionHCS = TransformObjectToHClip(IN.positionOS.xyz);
    OUT.uv = TRANSFORM_TEX(IN.uv, _BumpMap);

    ExtractTBN(IN.normalOS, IN.tangent, OUT.T, OUT.B, OUT.N);

    OUT.positionWS = TransformObjectToWorld(IN.positionOS.xyz);
    return OUT;
}

// ---------------
half4 frag(Varyings IN) : SV_Target
{
#if _ENABLENORMALMAP_ON
    float3 tangentNormal = UnpackNormal(SAMPLE_TEXTURE2D(_BumpMap, sampler_BumpMap, IN.uv));
    tangentNormal.xy *= _BumpMapStrength; // BumpMap Strength.

    float3 N = CombineTBN(tangentNormal, IN.T, IN.B, IN.N);
#else
    float3 N = normalize(IN.N);
#endif
    return half4(N * 0.5 + 0.5, 1);
}

디버깅 도구

• Window> Analysis> Frame Debugger
• RenderDoc 프로그램
  • https://renderdoc.org/

프로파일링

배치 수
드로우콜
SetPass
Vertex
텍스쳐 갯수/메모리 /스위치 횟수
Shadow Casters
Vertex Buffer Object

• CPU에 치중? GPU에 치중?
• Static GameObject 활용 잘하기.

18장. 최선 트렌드 따라잡기

컨퍼런스

GDC	GDC Vault 구독 1년 400불정도
Siggraph	1년 45달러
Unite
Digital Dragons	영상자료 공개
Eurographics	학술위주

서적

어렵지만 구입해서 읽어볼 가치 있음.

GPU Gems
ShaderX
GPU PRO
GPU Zen

사이트

• http://blog.selfshadow.com/publications/
• https://labs.unity.com/
• http://filmicworlds.com/
• http://aras-p.info/
• https://seblagarde.wordpress.com/
• http://c0de517e.blogspot.co.uk/
• http://blog.tobias-franke.eu/
• https://bartwronski.com/
• http://bitsquid.blogspot.co.uk/
• http://casual-effects.blogspot.co.uk/
• http://kesen.realtimerendering.com/
• http://graphicscodex.com
• https://www.scratchapixel.com/

etc

• Microfacet BRDF
• http://www.pbr-book.org/