第12课：Standard Surface Shader 与 PBR
教材对照：The Unity Shaders Bible 第七章 7.0.7 — 7.0.8
12.1 Standard Surface Shader 的结构
前两课我们使用 Unlit Shader 一步步构建了 Lambert 漫反射、Blinn-Phong 高光、环境反射等光照计算。 虽然这有助于理解原理，但在实际项目中重复实现这些基本光照是不必要的。
Unity 提供了 Surface Shader 这一抽象层，它自动处理光照交互， 将复杂的逐像素光照计算封装在内部。开发者只需要在 surf() 函数中设置表面属性即可。
12.1.1 Surface Shader 的骨架
Surface Shader 的自动生成 编写 Surface Shader 时，我们并没有编写 Vertex Shader 和 Fragment Shader——Unity 的编译系统会根据
#pragma surface surf Standard指令自动生成完整的 vertex/fragment shader 代码，
包括 Pass 定义、光照计算、阴影处理等。
12.1.2 pragma surface 指令详解
| 参数 | 可选值 | 说明 |
|---|---|---|
| surfaceFunction | surf（可自定义名称） | 表面函数的名称 |
| lightingModel | Standard / StandardSpecular / 自定义 | 使用的光照模型 |
| lightingModel | fullforwardshadows / addshadow | 阴影选项 |
| lightingModel | vertex:vertFunction | 自定义顶点修改函数 |
| lightingModel | finalcolor:colorFunction | 最终颜色修改函数 |
12.2 SurfaceOutput 结构体
Surface Shader 的核心在于 SurfaceOutputStandard 结构体，它定义了表面材质的所有属性。 Unity 提供了两种预定义版本：
12.2.1 SurfaceOutputStandard（金属工作流）
12.2.2 SurfaceOutputStandardSpecular（高光工作流）
12.2.3 Input 结构体
与 SurfaceOutput 对应的是 Input 结构体，它定义了 surf 函数的输入数据。 不同于 Unlit Shader 中的 appdata，Input 使用预定义的属性名来启用特定功能：
Input vs appdata appdata 使用 POSITION、NORMAL、TANGENT 等语义声明顶点数据；而 Input 使用语义化的变量名，
Unity 编译系统自动将顶点数据映射到对应的 Input 成员。例如viewDir 会自动计算_WorldSpaceCameraPos - worldPos ，无需手动编写。
12.3 PBR（基于物理渲染）的核心概念
PBR（Physically Based Rendering）是现代游戏引擎的标准渲染方法。 与上一课中基于经验模型的 Blinn-Phong / Lambert 不同，PBR 基于真实的物理规律 来描述光与表面的交互。
12.3.1 金属度（Metallic）vs 高光（Specular）工作流
PBR 有两种常见的工作流，Unity 的 Standard Shader 同时支持两者：
| 对比维度 | 金属工作流（Metallic） | 高光工作流（Specular） |
|---|---|---|
| 核心属性 | Albedo + Metallic + Smoothness | Albedo + Specular Color + Smoothness |
| 参数数量 | 3 个 | 3 个（Specular 是颜色而非标量） |
| 物理原理 | 基于金属/非金属的 F0（法线入射反射率） | 直接指定高光颜色 |
| 非金属材质 | Metallic = 0，F0 ≈ 0.04（灰色） | Specular ≈ 灰度值（4% 反射率） |
| 金属材质 | Metallic = 1，F0 来自 Albedo | Specular = 金属的颜色（金、银等） |
| 易用性 | 更常用，参数直观 | 更灵活，但需要手动调整 |
F0（法线入射反射率） 在 PBR 中，所有材质的反射率从"垂直观察"时的值（F0）开始：
- 非金属（绝缘体）：F0 ≈ 0.02 — 0.05（如：水 0.02，玻璃 0.04，钻石 0.17）
- 金属（导体）：F0 ≈ 0.5 — 1.0（如：铁 0.56，金 0.71，银 0.95） 金属工作流自动处理了 F0——将非金属的 F0 固定为 0.04，金属的 F0 从 Albedo 中提取。 这是它比高光工作流更”物理”的原因。
12.3.2 粗糙度（Roughness）与光滑度（Smoothness）
Smoothness 是粗糙度的反义词：
- Smoothness = 1.0（Roughness = 0.0）：完美镜面，高光极其集中锐利
- Smoothness = 0.0（Roughness = 1.0）：完全粗糙，高光扩散到几乎不可见（如沙纸）
在 Unity Standard Shader 中，Smoothness 对高光的影响通过**法线分布函数（NDF）**实现， 具体使用 GGX / Trowbridge-Reitz 分布（这是比 Blinn-Phong 更物理的分布函数）：
GGX 法线分布函数
D(h) = α² / (π × ( (n·h)² × (α² − 1) + 1 )²)
其中 α = roughness²（粗糙度的平方），控制微表面法线的分布宽度
α 越小（越光滑），高光越集中；α 越大（越粗糙），高光越分散
12.3.3 能量守恒
PBR 最重要的原则是能量守恒（Energy Conservation）：出射光的总能量 ≤ 入射光的总能量。 具体表现为：
- 反射 + 折射 ≤ 1：光要么被反射，要么被吸收/折射，总和不会超过 100%
- 光滑度影响分布而非总量：光滑表面的高光更集中但总量不变，粗糙表面的高光更分散但总量同样不变
- 金属吸收折射光：金属的高光反射率很高，且完全吸收折射光（金属没有漫反射——Albedo = 0 当 Metallic = 1）
在 Unity Standard Shader 中，能量守恒通过Cook-Torrance BRDF 自动保证， 它包含三个部分：
| BRDF 分量 | 物理意义 | 对应函数 |
|---|---|---|
| D（法线分布函数） | 微表面法线的统计分布 | GGX / Beckmann |
| F（Fresnel 函数） | 视角相关的反射率 | Schlick 近似 |
| G（几何遮蔽函数） | 微表面之间的自遮挡 | Smith / Schlick-GGX |
12.4 Unity 标准着色器的输入与输出
12.4.1 Properties 映射到 SurfaceOutput
一个完整的 Standard Surface Shader 通常包含以下属性映射：
Surface Shader 自动处理的功能
- 光照计算：自动生成多个 Pass（ForwardBase、ForwardAdd、Deferred 等）
- 阴影：fullforwardshadows 自动添加 Shadow Caster Pass
- 全局光照：自动与 Light Probe、Reflection Probe 交互
- 雾效：自动应用 Unity 的 Fog 设置
12.5 从自定义光照 Shader 过渡到 PBR Shader
在第11课中，我们手动实现了 Lambert + Blinn-Phong。下面是向 PBR 过渡的关键差异：
| 方面 | Blinn-Phong（经验模型） | Standard / PBR | 改进原因 |
|---|---|---|---|
| 漫反射 | Lambert: max(0, n·l) | 迪士尼漫反射或 Lambert 改进 | PBR 漫反射考虑粗糙度和能量守恒 |
| 高光 | (n·h)p | GGX / Cook-Torrance | GGX 高光拖尾更真实，“光晕”更柔和 |
| Fresnel | F = (1−n·e)power | Schlick 近似: F(θ) = F0 + (1−F0)(1−cosθ)5 | 基于真实物理测量数据 |
| 高光指数 | 无物理意义，凭感觉调 | roughness 有物理对应值 | 粗糙度可以通过仪器测量 |
| 能量守恒 | 不保证 | 严格保证 | 出射光不会超过入射光 |
| 参数调整 | 需要艺术家经验 | 基于真实材质参数 | 可参考真实世界材质数据库 |
12.5.1 什么时候还用自定义光照？
注意 Surface Shader 只能在Built-in Render Pipeline 中使用。
在Universal RP 或HDRP 中，需要使用 Shader Graph 或手写 HLSL。 此外，Surface Shader 的自动化特性在需要高性能优化时反而可能是限制——手写 vertex/fragment shader 可以精确控制指令数量。
12.6 跨引擎通用的 PBR
PBR 的概念和技术在所有现代引擎中基本一致：
Note
- Unreal Engine：基于 Cook-Torrance BRDF，使用 GGX 高光 + Schlick Fresnel + Smith 几何遮蔽。材质参数为 BaseColor、Roughness、Metallic、Specular。
- Unity (Standard)：同样基于 Cook-Torrance BRDF，GGX 高光 + Schlick Fresnel，使用 Albedo、Metallic、Smoothness。
- Filament (Google)：Google 的开源 PBR 引擎，文档极佳，所有公式公开。
- Three.js (MeshStandardMaterial)：同样的 PBR 参数集。
- Blender：Principled BSDF 基于迪士尼 PBR 模型。 差异仅在于具体实现和参数命名，底层的物理原理完全相同。
练习与回顾
- 概念对比：SurfaceOutputStandard 中的 Metallic 和 SurfaceOutputStandardSpecular 中的 Specular 有何本质区别？何时选择哪种工作流？
- 数据分析：查找常见材质（塑料、木材、铁、金、玻璃）的 F0 值，并验证为什么金属工作流中非金属的 F0 可以近似为 0.04。
- 代码分析：在 Surface Shader 的 Input 结构体中，为什么 viewDir、worldPos 等成员不需要在 appdata 中声明语义？它们是如何被赋值的？
- 数学推导：Schlick Fresnel 近似公式 F(θ) = F0 + (1−F0)(1−cosθ)⁵ 在 θ = 0° 和 θ = 90° 时的值分别是多少？验证这个公式是否正确描述了 Fresnel 效应。
- 工程思考：假设你需要为移动平台创建一个性能优化的 Shader，你会选择 Surface Shader 还是手写 Vertex/Fragment Shader？为什么？
- 扩展阅读：了解 Disney Principled BRDF 的提出背景，以及它为什么成为行业标准 PBR 的基础。
教材对照：The Unity Shaders Bible Chapter II, Section 7.0.7—7.0.8 (Pages 246-251)