Phong光照模型的Shader实现

Posted 2020-10-09 alps_01

计算反射向量

Phong用到的是反射向量，计算反射向量的公式是

R = 2*N(dot(N, L)) - L

这个公式是根据向量的投影公式以及平行四边形法则推导出来的

详细步骤请看这篇文章，讲的非常好

http://www.cnblogs.com/graphics/archive/2013/02/21/2920627.html

 

Shader "Phong"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Specular("Specular", Range(1, 20)) = 1
        _SpecColor("SpecColor", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 100

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"

            struct v2f
            {
                float2 uv : TEXCOORD0;
                float4 vertex : SV_POSITION;
                float3 normal : TEXCOORD1;
                float3 lightDir : TEXCOORD2;
                float4 objPos : TEXCOORD3;
            };

            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;

            float4 _LightColor0;

            float _Specular;
            float4 _SpecColor;

            v2f vert (appdata_full v)
            {
                v2f o;
                o.objPos = v.vertex;
                o.vertex = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
                o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
                o.normal = v.normal;
                o.lightDir = ObjSpaceLightDir(v.vertex);//把光向量从世界空间转成模型空间
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float3 L = normalize(i.lightDir);
                float3 N = normalize(i.normal);
                float3 viewDir = normalize(ObjSpaceViewDir(i.objPos));//计算出视线

                float diff = saturate(dot(L, N));
                float3 reflection = normalize(2.0 * N * diff - L);//反射向量
                float spec = pow(max(0, dot(reflection, viewDir)), _Specular);
                float3 finalSpec = _SpecColor.rgb * spec;
                //漫反射+镜面高光+环境光
                float3 finalLight = diff * _LightColor0 + finalSpec + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT;

                fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv);
                return col * float4(finalLight, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

Blinn-phong光照模型

blinn是一个人的名字，他叫吉姆·布林，图形学界的大牛，他发现了使用半角向量代替反射向量的计算方式

原理是通过视线向量跟光向量的半角向量代替反射向量

halfVector = normalize( L + V );

 

http://blog.csdn.net/herox25000/article/details/50491483

 

求反射向量

在图形学中，计算光照模型时，经常需要求取反射向量，一般的shader函数库都提供计算反射向量的方法，下面介绍一下如何手动计算反射向量。

给定入射光线向量I和平面法向量N，求反射向量R，如下图。为了方便计算，这里假定I和N都是单位向量（模为1，编程时可先将I和N单位化）

方法一

设入射光线向量I和反射平面的法向量N之间的夹角为theta。连接I的始端和R的末端，则有

R = 2P - I              （1）

现在问题变成了如何求取P，设入射点0到P与N的交点的向量为S，那么有

P = I + S               （2）

现在问题变成了如何求取向量S，向量S即向量-N（注意，这里是-N，因为S和N的方向相反。）在向量N上的投影，根据向量的投影公式有

因为N是单位向量，简化一下得到

将S代入公式（2），再将P代入公式（1）得到

方法二

将R平移一下，与向量N的延长线相交。

由于入射角和反射角相等，且I和R的长度也相等，所以三角形ION是等腰三角形。故有

ON = 2S

所以有

R = I + 2S

而S是-I在N上的投影，所以有

由于N是单位向量，简化一下得到

所以

貌似方法二更直观些。