Unity Shader 基础光照（build）

1.光学基础

　　1.1 光源：　　

　　　　光线由光源发出，在实时渲染中，我们通常把光源当成一个没有体积的点。用l代表光的方向，用辐照度来量化光的强度。辐照度的意思表示垂直于l的单位面积上单位时间穿过的能量。如果光于平面不垂直，则辐照度为 cos S/l，S为光线与平面法线的夹角。

　　1.2 吸收与散射：　　　

　　　　光源与物体相交后通常会有两种结果：散射 和 吸收。

　　　　散射：只改变光的方向，不改变光的密度和颜色； 吸收： 只改变光的方向和密度，不改变光的方向。散射又分为折射和反射两种。

　　　　散射又分为两种，一种是直接被反射出来，另一种是经过内部折射或者内部吸收后翻出出来的光。我们把高光反射（specular）表示表面反射的光，漫反射（difuss）表示折射、吸收、散射出表面的光。

　　1.3 着色：

　　　　着色，指根据材质属性、光源信息、使用一个等式去计算沿着某个观察方向的初射度过程。我们把这个等式称为 光照模型（Lighting Model），不同的光照模型有不同的目的，例如一些描述粗糙物体表面，一些描述金属表面。

　　1.4 BRDF 光照模型

　　　　BRDF光照模型用来回答了当光线从某个方向照射到一个表面时，有多少光线被反射，反射的角度有哪些等问题。BRDF大多都是一个数学公式给定的。这些往往都是经验模型，你可以自己试一试，图形学第一定律“如果它看起来是对的，那么它就是对的”。

2.标准光照模型

　　标准光照模型的基本方法是，把进入摄像机内的光线分成4个部分。每一个部分使用一种方法来计算它的贡献度：

　　　　自发光（emissive），用于描述给定一个方向时，一个表面本身会向该方向发射多少辐射量。值得注意的是如果没有全局光照技术，这些自发光的表面并不会真的照亮周围的物体，而它本身看起来更亮了而已。

　　　　高光反射（specular），这部分用于描述当前光线从光源照射到模型表面时，该表面完全镜面反射散射多少辐射量。

　　　　漫反射（difuss），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线。

　　逐顶点还是逐像素？

　　　　通过基本光照模型，我们可以得到数学工作，那在哪开始计算这些光照模型呢？我们可以在片元着色器中计算，也叫做逐像素光照。或者是在顶点着色器中计算，也叫做逐顶点光照。

　　　　在逐像素光照中，我们会以每个像素为单位，得到它的法线，在片之间进行法线的差值计算，然后进行光照模型计算。逐顶点光照，我们会计算每个顶点的光照，然后会在渲染图元内部进行线性差值，最后输出成像素颜色。逐顶点光照计算量小于逐像素光照。

3.Unity中的环境光与自发光

　　在光照模型中，环境光和自发光是最简单的，Unity中可以通过Window->Rendering->Lighting->Environment 中进行设置环境光。而由于绝大多数的物体是没有自发光特性的，因此大部分不用设置。如果需要的话只需要在片元着色器输出最后的颜色之前，把材质的自发光颜色添加到输出颜色上即可。

4.使用Unity Shader实现漫反射光照模型

　　在基本光照模型中漫反射的计算公式是：

　　　　C_diffuse=（C_light*M_diffuse）max(0,n*l);

　　其中：C_light表示入射光颜色和强度，M_diffuse为材质漫反射系数，n为法线，l为入射方向。

　　1.逐顶点光照：

Shader "Untiy Book/Chapter6/DiffuseVertexLevel"
{
    Properties
    {
        //控制漫反射颜色
        _Diffuse("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            //只有定义了正确的LigtMode，才能得到后续的一些光照变量
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // make fog work
            #pragma multi_compile_fog

            #include "Lighting.cginc"
            //为了使用在Properties定义的变量，要定义一个与之属性类型匹配的变量
            fixed4 _Diffuse;
            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos:SV_POSITION;
                fixed3 color : COLOR;
            };

            v2f vert (a2v v)
            {
                v2f o;
                // 顶点着色器基本任务 将模型空间转为裁剪空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 得到环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                // 将顶点的法线从模型空间转为世界空间   归一化处理，防止结果为负数
                fixed3 worldNormal = normalize(UnityObjectToWorldNormal(v.normal));
                // 得到光照强度和方向
                fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                // 光的颜色强度*材质漫反射颜色 得到漫散射光照  saturate函数是Cg提供的可以班参数截取到0-1之间。
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb*saturate(dot(worldNormal,worldLight));
                o.color = ambient+diffuse;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                return fixed4(i.color,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Diffuse"
}

效果： 逐顶点的漫反射光照，对于细分程度高的物体可以有比较好的效果，对于细分程度低的模型，会看到背光面与向光面有一些齿轮。

 　　2.逐像素光照：

Shader "Untiy Book/Chapter6/DiffusePixelLevel"
{
    Properties
    {
        //控制漫反射颜色
        _Diffuse("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            //只有定义了正确的LigtMode，才能得到后续的一些光照变量
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // make fog work
            #pragma multi_compile_fog

            #include "Lighting.cginc"
            //为了使用在Properties定义的变量，要定义一个与之属性类型匹配的变量
            fixed4 _Diffuse;
            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos:SV_POSITION;
                fixed3 worldNormal : TEXCOORD0;
            };

            v2f vert (a2v v)
            {
                v2f o;
                // 顶点着色器基本任务 将模型空间转为裁剪空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 顶点着色器不再计算，只需要将世界坐标法线给片元着色器
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                // 将顶点的法线从模型空间转为世界空间   归一化处理，防止结果为负数
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                // 得到光照强度和方向
                fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                // 得到物体散射
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb*saturate(dot(worldNormal,worldLight));
                fixed3 color = ambient+diffuse;
                return fixed4(color,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Diffuse"
}

效果： 这样光线过渡就有了更加平滑的效果了。但问题又来了，在光线无法到达的区域，模型没有任何的明暗变化。

 　　3.半兰伯特模型

　　这种模型是在开发半条命时提出的一种技术。其实也就是更改了光照模型的公式，如下：

　　C_diffuse=（C_light*M_diffuse）(alpha(n*l)+beta);

　　其中对n*l 乘以一个alpha倍再加上了 beta偏移，绝大多数情况下两个值都为0.5，这样保证了值不为0，且原有的0值处，现在为0.5了所以保证了背光面也能有阴影变化

 

Shader "Untiy Book/Chapter6/HalfLambert"
{
    Properties
    {
        //控制漫反射颜色
        _Diffuse("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            //只有定义了正确的LigtMode，才能得到后续的一些光照变量
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // make fog work
            #pragma multi_compile_fog

            #include "Lighting.cginc"
            //为了使用在Properties定义的变量，要定义一个与之属性类型匹配的变量
            fixed4 _Diffuse;
            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos:SV_POSITION;
                fixed3 worldNormal : TEXCOORD0;
            };

            v2f vert (a2v v)
            {
                v2f o;
                // 顶点着色器基本任务 将模型空间转为裁剪空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 顶点着色器不再计算，只需要将世界坐标法线给片元着色器
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                // 将顶点的法线从模型空间转为世界空间   归一化处理，防止结果为负数
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                // 得到光照强度和方向
                fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                fixed halfLambert = dot(worldNormal,worldLight)*0.5 +0.5;
                // 得到物体散射
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * halfLambert;
                
                fixed3 color = ambient+diffuse;
                return fixed4(color,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Diffuse"
}

效果：

 三种漫反射光照对比效果：

5.使用Unity Shader实现高光反射模型

　　高光反射的基本光照模型为：

　　 C_specular=（C_light*Mspecular）max(0，(v*r))^gloss;

　　其中，入射光线的颜色和强度Clight，材质的高光反射系数Mspecular，视角方向v，反射方向r。其中r = l-2(n*l)n

　　1.逐顶点光照

Shader "Untiy Book/Chapter6/SpecularVertex"
{
    Properties
    {
        _Diffuse ("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
        // 控制高光反射颜色
        _Specular ("Specular",Color) = (1,1,1,1)
        // 控制高光反射大小
        _Gloss("Gloss",Range(8.0,256)) = 20
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "Lighting.cginc"
            #include "UnityCG.cginc"
            
            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;
            
            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };
            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                fixed3 color : COLOR;
            };
            v2f vert (a2v v)
            {
                v2f o;
                // 基本功能
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 漫反射部分
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                fixed3 worldNormal = normalize(UnityObjectToWorldNormal(v.normal));
                fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                fixed3 diffuse = _LightColor0 * _Diffuse.rgb *saturate(dot(worldNormal,worldLight));
                // 高光反射部分
                fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLight,worldNormal));
                fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex)));
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir,viewDir)),_Gloss);
                // 环境+漫反射+高光反射
                o.color = ambient + diffuse + specular;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                return fixed4(i.color,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Specular"
}

　　这种方式得到的高光部分明显不平滑，因为高光反射部分的计算是非线性的，但是顶点着色器中计算光照部分是线性的。

　　2.逐像素光照

Shader "Untiy Book/Chapter6/SpecularPixel"
{
    Properties
    {
        _Diffuse ("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
        // 控制高光反射颜色
        _Specular ("Specular",Color) = (1,1,1,1)
        // 控制高光反射大小
        _Gloss("Gloss",Range(8.0,256)) = 20
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "Lighting.cginc"
            #include "UnityCG.cginc"
            
            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;
            
            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };
            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD0;
                float3 worldPos : TEXCOORD1;
            };
            v2f vert (a2v v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 只需计算世界空间下的法线坐标和顶点方向
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.vertex);
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                // 漫反射
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLight));
                // 计算高光
                fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLight,worldNormal));
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz-i.worldPos.xyz);

                fixed3 specular = _LightColor0.rbg * _Specular.rbg* pow(saturate(dot(reflectDir,viewDir)),_Gloss);

                return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Specular"
}

效果：我们看到了，光照部分更加平滑了。

 　　3.Blinn-Phong 光照模型

　　该公式比较复杂，它是一个经验模型，并不完全符合真实世界中的光照现象。具体公式为：

 

Shader "Untiy Book/Chapter6/BlinnPhong"
{
    Properties
    {
        _Diffuse ("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
        // 控制高光反射颜色
        _Specular ("Specular",Color) = (1,1,1,1)
        // 控制高光反射大小
        _Gloss("Gloss",Range(8.0,256)) = 20
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "Lighting.cginc"
            #include "UnityCG.cginc"
            
            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;
            
            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };
            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD0;
                float3 worldPos : TEXCOORD1;
            };
            v2f vert (a2v v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 只需计算世界空间下的法线坐标和顶点方向
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.vertex);
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                // 漫反射
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLight));
                // 计算高光
                //fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLight,worldNormal));
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz-i.worldPos.xyz);
                // change
                fixed3 halfDir = normalize(worldLight+viewDir);
                fixed3 specular = _LightColor0.rbg * _Specular.rbg* pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)),_Gloss);
                return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    Fallback "Specular"
}

效果：我们可以看到高光反射部分看起来更大，更亮一些。实际渲染中我们更喜欢这种这种方式

 全部对比：从左到右，从上到下