UnityPBR

综述

• 在移动端PBR的挑战
• 我们优化了哪些硬件
• 更快的BRDF
• Linear/Gamma
• 环境光反射

PBR challenges on Mobile

• 表现
• 很多GPU，架构，特点
• 线性/gamma的工作流
• 缺少高质量贴图压缩格式
• Shader编译不如PC
• Scalar 和 vector 管线
• texCUBElod
• FP32 FP16
• 大量shader变体

优化目标

表现

市场份额

优化等级

对于PBR重要的GPU特性

• 数学逻辑（ALU）和纹理获取（TEX）之间的比例
• Scalar 和 vector 结构

• FP16
  • PBS 更容易出现失真@低精度
  • 检查小数（1e-4 OK, 1e-5 not）
  • 有时由于精度溢出需要额外的clamp
• Vector 管线可能需要不同的优化方式
• 高端和低端 GPU 的 ALU/TEX 差异很大

High-end等级的优化

为移动端优化BRDF

GGX vs BlinnPhong

• GGX - 更加简单的操作（ADD,MUL）但只用了一个复杂运算器（RCP）
• 标准化的Phong - x相同复杂的操作（RCP,EXP,LOG）
• SG相似（RCP,EXP）

$$GGX = \frac{roughness^4}{\pi((N·H)^2(roughness^4-1)+1)^2}$$

$$Phong = \frac{1}{\pi·roughness^4}·（N·H）^{(\frac{2}{roughness^4}-2)}$$

Simple vs Complex op

• PowerVR G6x00 asm(Phong example)
• 可以做很多ops/cycle，但只有 1 个Complex操作
• 大部分其他结构的complex 操作 = Latency

Geometric/Visbility term

Fresnel term

• C.Schuler提出的拟合：

$$F = \frac{specColor}{L·H}$$

• 适合电解质（反射系数：0.02~0.15）
• 导体（又称金属）- 平均值OK（反射系数 0.7~1.0）
• 用 + 无穷 替代 1

不使用直接使用Schuler假设 只是 specColor 可以后乘的灵感（更适合Scalar 管线）

V*F together

• 修改后的KSK和Schlick Fresnel依赖于L·H
• 融合在一起后：

$$V·F = \frac{(1-L·H)^5}{(L·H)^2(1-roughness^2)+roughness^2}$$

近似 V*F

• 不是代数简化
• 拟合相似曲线

$$V·F_{approx} = \frac{1}{(L·H)^2·(roughness + 0.5)}·specColor$$

近似结果

近似 V*F

适合电介质，但在金属显得发散

可以通过更多的操作来改进，但在实践中无关紧要

Comparison of Visibility Terms

Final Specular BRDF

$$BRDF_{spec} = \frac{roughness^4}{4\pi((N·H)^2(roughness^4-1)+1)^2(L·H)^2(roughness+0.5)} specColor$$

• 只有一个除法
• 适合Scalar 管线

环境光BRDF

只是改装了更简单的功能

$$BRDF_{env}=(1-max(roughness,N·V))^3 + specColor$$

Mid 等级的优化

逐顶点光照

• 中端硬件：
  • 低带宽，GFLOPS are meh
• Diffuse and ambient per-vertex
• Specular per-pixel
• Environment reflection vector per-vertex
• 高光在切线空间 - 节约矩阵变换

Low级别的优化

LUT

• 低端硬件：
  • Low ALU/TEX 比例
• 高光强度用LUT
  • <N·H，Roughness>
• 记住隐式几何!
  • I = BRDF * N*L
• N•H 是余弦 - 高光真的crammed

LUT specular

• 在LUT中存储 1/16强度
• RL 代替在 NH 节约了一组操作
• 展开 LUT /w R*L^4 来获得高光的更多空间

Linear、Gamma

线性光照：

• 更老的GPU上比较难
• 有额外的消耗

Gamma 和 Linear永远看起来不相同，但我们可以尝试做到

• 一致的基础光强度
• 一致的高光尺寸

破解 Gamma 以匹配 Linear

假设 gamma with 2.0

仅修复高光强度：

• 保持线性方程镜面部分的参数（粗糙度）

• 在线性空间中评估镜面反射强度

• 在应用颜色之前将产生的镜面反射强度转换为 sRGB 空间

  = sqrt(specIntensity_Linear) * specColor_sRGB

Gamma Hack 的优点

• 无需uncompress colors/textures from sRGB to Linear
• Roughness is Linear already
  • 通常存储在alpha 通道
• 潜在long latency OP（INVSQRT）没有在shader结尾
  • 耗时可以被其他操作隐藏

Environment reflections

texCUBElod can be really expensive sometimes

• G6xx0 - high-end mobile GPU!
• optional extension on ES2.0

G6xx0: use dynamic branches to pick 2 closest mips and lerp

texCUBElod

• Lerp 2个极端的mips
  • 很丑但很快
• 三种lerp方式：
  • hardcoded highest mip#
  • middle mip
  • 2nd order SH