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2022-07-18 09:59阅读: 1535评论: 0推荐: 0

【Unity Shader学习笔记】Unity光照-光照衰减

1、Unity 光源类型

Unity —共支持 4 种光源类型:

  • 平行光
  • 点光源(Point Light)
  • 聚光灯(Spot Light)
  • 面光源(area light)

面光源仅在烘焙时才可发挥作用, 因此不在本节讨论范围内。

本节中, 我们学习如何处理点光源(pointlight) 和聚光灯(spotlight)。

1.1、光源类型

1.1.1、平行光

平行光的几何属性只有方向,不会衰减。

1.1.2、点光源

由空间的一个球体定义的光源。

点光源会存在光线衰减,中心点为1,边缘点为0;中间的衰减可以由一个函数定义。

1.1.3、聚光灯

这三种中最复杂的一种。照亮空间内的一个锥形区域。

中间的衰减同样可以通过函数定义,只是更加复杂。

2、Unity 光照衰减

Unity 使用一张纹理作为査找表(Lookup Table, LUT),在片元着色器中计算逐像素光照的衰减。
这样做减轻了计算压力,但是也有缺点:

  • 需要预处理得到采样纹理, 而且纹理的大小也会影响衰减的精度。
  • 不直观, 同时也不方便, 因此一旦把数据存储到査找表中, 我们就无法使用其他数学公式来计算衰减。

2.1、用于光照衰减的纹理

Unity 在内部使用一张名为 _LightTexture0 的纹理来计算光源衰减。

如果我们对该光源使用了 cookie,那么衰减査找纹理是 _LightTextureB0

我们通常只关心 _LightTexture0 对角线上的纹理颜色值。
例如:(0,0)点表明了与光源位置重合的点的衰减值, 而(1,1)点表明了在光源空间中所关心的距离最远的点的衰减值。

2.2、使用纹理采样

2.2.1、获得该点在光源空间上的位置

使用 unity_WorldToLight 矩阵可以把顶点从世界空间变换到光源空间。
将其与世界空间下的顶点坐标相乘即可。

float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1)).xyz;

2.2.2、纹理采样

使用这个坐标的模的平方对衰减纹理进行采样, 得到衰减值:

fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;

使用了光源空间中顶点距离的平方( 通过 dot 函数来得到)来对纹理采样, 之所以没有使用距离值来采样是因为这种方法可以避免开方操作。

然后, 我们使用宏 UNITY_ATTEN_CHANNEL 来得到衰减纹理中衰减值所在的分量, 以得到最终的衰减值。

2.3、使用公式采样

例如:

float distance = length(_WorldSpaceLightPosO.xyz - i.worldPosition.xyz);
atten = 1.0 / distance;

Unity 没有在文档中给出内置衰减计算的相关说明,也没有开放相关接口(如聚光灯的朝向、 张开角度等)。

当然,我们可以利用脚本将相关信息传递给 Shader,但是效率、灵活性就很差了。

3、实践

3.1、在前向渲染中处理光源

首先定义第一个 Pass — BasePass 。

使用#pragma multi_compile_fwdbase 指令,保证光照衰减等光照变量可以被正确赋值。

在 BasePass 中计算场景中的环境光。

fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

Base Pass 会在计算逐像素平行光时调用一次。
因为环境光、自发光只需要计算一次,因此放在 Base Pass 中计算。

如果场景中有多个平行光,Unity 会选择最亮的平行光传递给 Base Pass 进行逐像素处理。
其他平行光会按照逐顶点或在 Additional Pass 中按逐像素的方式处理。
如果场景中没有任何平行光, 那么 Base Pass 会当成全黑的光源处理。

使用 _WorldSpaceLightPos0 来得到这个平行光的方向。
使用 _LightColor0 来得到它的颜色和强度( _LightColor0 已经是颜色和强度相乘后的结果)。

随后定义 Addition Pass 。

使用#pragma multi_compile_fwdadd指令,

使用 Blend 指令:Blend One One声明混合模式(因为我们不希望覆盖)。

使用判断来获得光源方向、处理衰减。

最终代码如下:

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 9/ForwardRendering" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
SubShader {
Tags { "RenderType"="Opaque" }
Pass {
// Pass for ambient light & first pixel light (directional light)
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
// Apparently need to add this declaration
#pragma multi_compile_fwdbase
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.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);
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
fixed atten = 1.0;//光照衰减
return fixed4(ambient + (diffuse + specular) * atten, 1.0);
}
ENDCG
}
Pass {
// Pass for other pixel lights
Tags { "LightMode"="ForwardAdd" }
Blend One One
CGPROGRAM
// Apparently need to add this declaration
#pragma multi_compile_fwdadd
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
#include "AutoLight.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);
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
//判断是否是平行光,获得世界坐标下光线方向
#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
#else
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPos.xyz);
#endif
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
//判断是否是平行光,处理衰减
#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT
fixed atten = 1.0;
#else
#if defined (POINT)
float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1)).xyz;
fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
#elif defined (SPOT)
float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1));
fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w * tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
#else
fixed atten = 1.0;
#endif
#endif
return fixed4((diffuse + specular) * atten, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}

效果如下:能够实现非平行光源的光照衰减。

image-20220718095529848

3.2、Base Pass 与 Additional Pass 的调用

Unity 中,我们可以使用帧调试器(Frame Debugger)工具来査看场景的绘制过程。

Window -> Analysis -> Frame Debugger

可以看到, Unity 首先清除颜色、深度和模板缓冲,为后面的渲染做准备;

随后 Unity 利用 Base Pass ,将平行光的光照渲染到帧缓存中;

最后调用 Additional Pass ,将点光源依次应用到物体上。

Unity 处理这些点光源的顺序是按照它们的重要度排序的。 重要度与颜色、强度、距离物体远近都有关系。

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