Unity Shader 之 基础光照

Posted 2020-10-16 Sooda

摄像机是如何看这个世界的

　　游戏中摄像机所看到的世界与我们现实中所看到的几乎是一样的。

• 首先，光线从光源中发射出来。
• 然后，光线和场景中的一些物体相交（散射，吸收）。
• 最后，摄像机吸收了一些光，产生一张图像。

　　光线与物体相交的结果有两个：散射（scattering）和吸收（absorption）

• 散射：只改变光线的方向，但不改变光线的密度和颜色，有两种方向：内部与外部，对应折射与反射。
  • 折射（refraction）：散射到物体内部，用漫反射（diffuse）模型来计算。
  • 反射（reflection）：散射的物体外部，用高光反射（specular）模型来计算。
• 吸收：只改变光线的密度和颜色，但不改变光线的方向。

　　用不同的光照模型来计算两种不同的散射方向：漫反射模型和高光反射模型。

• 漫反射：表示有多少光线会被折射、吸收和散射出表面。
• 高光反射：表示物体表面是如何反射光线的。

标准光照模型 （以下粗体都表示向量）

　　把进入到摄像机内的光线分为4个部分，每个部分使用一种方法来计算它的贡献度。

• 自发光（emissive）：当给定一个方向时，一个表面本身会发射多少辐射量。（并不能照亮周围的物体，只是显得亮而已）
• 高光反射（specular）：当光线从光源照射到模型表面时，该表面会在完全镜面反射方向散射多少辐射量。
• 漫反射（diffuse）：当光线从光源照射到模型表面时，该表面会向每个方向散射多少辐射量。
• 环境光（ambient）：描述其他所有的间接光照。

　　自发光

　　直接采用了该材质的自发光颜色。

　　高光反射

　　Phong模型公式

　　　　specular = (light · shininess)max(0, v · r)^gloss

• • light：光源颜色
  • shininess：反光度　　
  • v：物体到摄像机的方向向量
  • r：光线的反射方向向量（利用法线方向和光线入射方向可以计算出来，公式为：r = l - 2(n · l)n, Cg中计算反射方向的函数reflect)
  • gloss：光泽度（数值越大亮点越小）

　　Blinn-Phong模型公式

　　注意：如果摄像机和光源距离模型足够远的话，Blinn模型速度快于Phone模型，因为，此时可以认为v于l都为定值，因此h将是一个常量。但是当v与l不是定值时，Phone模型反而更快。

　　　　specular = (light · shininess)max(0, n · h)^gloss

• • light：光源颜色　　
  • shininess：反光度　　　　
  • n：表面法线方向　　　　
  • h：对v和l取平均后再归一化，公式：h = (v + l) / | v + l |
  • gloss：光泽度（数值越大亮点越小）　　

　　漫反射

　　兰伯特定律　　

　　　　diffuse = (light · diffuseColor)max(0, n · l)

• • light：光源颜色　　　　
  • diffuseColor：材质漫反射颜色　　　　
  • n：表面法线方向　　　　　　
  • l：光源的单位矢量
  • 注意：max函数是为了防止法线和光源方向点乘的结果为负值。

　　半兰伯特定律

　　　　diffuse = (light · diffuseColor)(0.5 * max(0, n · l) + 0.5)

　　　　没有任何的物理依据，仅仅是视觉加强技术

代码示例（环境光+漫反射+高光反射）

Shader "Unity My Shader/Diffuse Light"
{
    Properties
    {
        _Color("Color", Color) = (1,1,1,1)       // 模型颜色
        _Specular("Specular", Color) = (1,1,1,1) // 高光颜色
        _Gloss("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20    // 控制高光区域大小
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags{"LightMode"="ForwardBase"}      // 定义该Pass在Unity流水线中用于前向渲染

            CGPROGRAM                            // 于ENGCG配对用于包裹Cg代码片
            #pragma vertex vert                  // 利用#pragma告诉Unity顶点着色器的名字叫vert
            #pragma fragment frag                // 同上
            
            #include "UnityCG.cginc"             // 引入内置文件
            #include "Lighting.cginc"

            fixed4 _Color;                       // 定义于Properties中相匹配的变量
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            struct a2v                           // 顶点着色器的输入结构体
            {
                float4 vertex : POSITION;        // 模型的顶点位置信息（基于模型空间）
                float3 normal : NORMAL;          // 模型的顶点法线信息（基于模型空间）
            };

            struct v2f                           // 顶点着色器的输出结构体和片元着色器的输入结构体
            {
                float4 pos : SV_POSITION;        // 模型的顶点信息（基于裁剪空间）
                float3 worldPos : TEXCOORD0;     // 模型的顶点信息（基于世界空间）
                float3 worldNormal : TEXCOORD1;  // 模型的法线信息（基于世界空间）
            };
            
            v2f vert (a2v v)
            {
                v2f o;

                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点位置从模型空间转换到裁剪空间
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); // 模型坐标顶点转换世界坐标顶点
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 模型坐标法线转换世界坐标法线

                return o;
            }
            
            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); // 法线方向
                fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // 光照方向
                fixed3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos)); // 视角方向

                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; //环境光

                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir)); // 漫反射

                fixed3 halfDir = normalize(worldViewDir + worldLightDir); // Blinn模型 计算
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss); // 高光反射

                return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1); // 相加后输出颜色
            }
            ENDCG
        }
    }
}