【Unity Shader学习笔记】Unity光照-光照衰减
处理点光源（pointlight） 和聚光灯（spotlight）的光照衰减
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。
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。
