参考书籍：Unity Shader入门精要
一、认识光照 1.1 光源实时渲染中，通常光源为一个没有体积的点，用 l {l} l表示其光照方向。
1.1.1 如何量化光答：使用辐照度。
- 对平行光，通过计算在垂直于
l
{l}
l的单位面积上单位时间内穿过的能量得到 默认方向的矢量为1，如下为理解图：
光线由光源发射，与一些物体相交产生的结果：散射（scattering） 和 吸收（absorption）。
改变方向改变颜色改变密度散射√吸收√√ 1.2.1 散射光线经物体表面散射后，有两种方向：
- 散射到外部：折射（refraction）或 透射（transmission）
- 散射到内部：反射（reflaction） 对于不透明物体，到内部的光线继续与内部颗粒相交。部分光线最后会重新发射出物体表面，另一部分被吸收。如下为理解图：
高光反射（specular）：表示物体表面是如何反射光线的。 漫反射（diffuse）：表示多少光线会被折射、吸收和三射出表面。
根据入射光线数量和方向，计算出射光线的数量和方向，使用出射度（exitnce）来描述。
1.3 着色根据材质属性（如漫反射属性等）、光源信息（如光源方向、辐照度等），使用一个等式去计算沿某个观察方向的出射度的过程。这个等式也成为光照模型（Lighting Model）。
1.4 BRDF光照模型BDRF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）：回答物体表面与光线是如何交互。
二、标准光照模型只关心直接光照（direct light），即经过物体表面一次反射直接进入摄像机的光线。它将进入摄像机的光线分为 自发光、高光反射、漫反射、环境光 共四部分。
2.1 自发光（emissive）解释：给定一方向后，表面本身向该方向发射多少辐射量。
注意：未使用全局光照（global illumination）情况下，自发光的表面不会照亮周围物体，仅本身显得更亮
2.2 高光反射 （specular）解释：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
2.3 漫反射（diffuse）解释：当光线从光源照射到模型表面，该表面会向每个方向散射多少辐射量
符合兰伯特定律：反射光线的强度与表面发现和光源方向之间的夹角的余弦值成正比。 c d i f f u s e = ( c l i g h t ∗ m d i f f u s e ) m a x ( 0 , n ∗ I ) {c_{diffuse} = (c_{light} *m_{diffuse})max(0, n*I)} cdiffuse=(clight∗mdiffuse)max(0,n∗I)
- n：表面法线
- I {I} I：光源的单位矢量
- m d i f f u s e {m_{diffuse}} mdiffuse：材质的漫反射颜色
- c l i g h t {c_{light}} clight：光源颜色
注意：防止和避免法线和光源方向点乘的结果为负值。故使用 m a x ( 0 , n ∗ I ) {max(0,n*I)} max(0,n∗I)
2.4 环境光（ambient）描述其他所有的间接光照。
间接光照：在多个物体之间反射，最后进入到摄像机。
2.5 逐像素与逐顶点在片元着色器中计算：逐像素光照（per-pixel lighting） 在顶点着色器中计算：逐顶点光照（per-vertex lighting）
三、Unity Shader实现漫反射光照模型漫反射计算公式 c d i f f u s e = ( c l i g h t ∗ m d i f f u s e ) m a x ( 0 , n ∗ I ) {c_{diffuse}=(c_{light}*m_{diffuse})max(0, n*I)} cdiffuse=(clight∗mdiffuse)max(0,n∗I)
- 入射光线的颜色和强度 c l i g h t {c_{light}} clight
- 材质的漫反射系数 m d i f f u s e {m_{diffuse}} mdiffuse
- 表面法线 n {n} n
- 光源方向 I {I} I
函数：saturate( x x x) 参数 x x x：用于操作的标量或矢量，可以是float、float2、float3等类型 描述：把 x {x} x截取在[0, 1]范围内，如果 x {x} x是一个矢量，那么会对它的每一个分量进行这样的操作。
函数：reflect( i , n i, n i,n) 参数 i i i：入射方向，可以是float、float2、float3等类型 参数 n n n：法线方向，可以是float、float2、float3等类型 描述：当给定入射方向 i i i和法线方向 n n n时，reflect函数可以返回反射方向
3.1 逐顶点光照 实践- Window -> Lighting -> Skybox 设置天空盒材质为null
- 新建材质并命名"DiffuseVertexLevelMat"
- 创建 -> 着色器 -> 标准表面着色器，命名为"Chapter6-DiffuseVertextLevel"
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Diffuse Vertex-Level" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float4 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR;
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
//从模型空间转换到裁剪空间
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
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"
}
- 添加一个Direction Light，并观察效果图，如下所示：
在Properties{}语义块中声明Color属性，用于控制漫反射颜色。
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
}
顶点着色器需写在Pass{}语义块，指明该Pass{}的光照模式
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
LightMode标签：定义该Pass{}在Unity的光照流水线中的角色。 仅定义了正确的LightMode下，才能获取一些Unity的内置光照变量。
分别定义 [vertex顶点着色器]/[fragment片元着色器] 为 [vert]/[frag]
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
Unity提供的内置变量的文件，这里需要Lighting.cginc中的一些变量，故需要包含这文件
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse：定义一变量与Properties{}中的属性相匹配，由于颜色属性在[0, 1]范围内，故选择fixed4精度存储。
定义顶点着色器输入结构体：
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float4 normal : NORMAL;
};
NORMAL：访问模型顶点的法线变量
定义顶点着色器输出结构体（等同于片元着色器输入结构体）：
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR;
};
color：接受计算的颜色变量，并未实际使用COLOR语义，部分情况也有使用TEXCOORD0语义。
为实现漫反射，参照 2.3漫反射，需要以下四个参数：
- 表面法线
worldNormal - 光源方向
worldLight - 材质颜色
_Diffuse - 光源颜色
LightColor0
代码内容如下
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));
o.color = ambient + diffuse;
return o;
}
在Shader码中：
UnityObjectToClipPos()：将模型空间坐标转换成裁剪空间坐标。UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT：Unity内置变量，此处为获取环境光部分。unity_WorldToObject：原为_World2Object[已替换]，此处为从模型空间到世界空间中的变换矩阵的逆矩阵。_WorldSpaceLightPos0：Unity内置变量，此处为获取光源方向。_LightColor0：Unity内置变量，此处为访问该Pass{}处理的光源颜色和强度信息。 注意：需要定义合适的LightMode标签来获取正确的值normalize()：向量归一化（以单位向量表示，仅0或1）_Diffuse：材质的颜色saturate()：防取值为0，限制值在[0, 1]dot()：矩阵点乘
fixed4 frag(v2f i):SV_Target {
return fixed4(i.color, 1.0);
}
i.color：颜色，返回的是float3类型，故1.0为透明度
FallBack "Disffuse"
- 新建材质，命名为 DiffusePixelLevelMat
- 新建Shader，命名为 Chapter6-DiffusePixelLevel，并赋于给上述材质。
- 添加下述内容：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Diffuse Pixel-Level" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float4 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 = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}
- 添加一Direction Light，观察效果，如下图所示：
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
Diffuse：漫反射颜色Specular：光照颜色Gloss：光滑程度
参考3.1.2描述
3.2.3 定义 顶点/片元着色器参考3.1.3描述
3.2.4 Unity内置文件 Lighting.cginc参考3.1.4描述
3.2.5 存储 变量fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
_Diffuse与_Specular[同为Color]：选择 fixed4 数据类型存储 _Gloss：选择 float 数据类型存储
顶点着色器输入：
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float4 normal : NORMAL;
};
获取模型空间下的 顶点坐标 与 法线坐标。
片元着色器输入：
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldPos : TEXCOORD1;
};
获取从顶点着色器转片元着色器的数据，如模型在模型空间下的坐标、法线坐标和纹理坐标。
3.2.7 实现 逐像素光照v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
UnityObjectToClipPos()：将模型空间坐标 转换为 裁剪空间坐标unity_WorldToObject：原为_World2Object[已替换]，此处为从模型空间到世界空间中的变换矩阵的逆矩阵。mul()：计算矩阵的乘积normalize()：向量归一化（以单位向量表示，仅0或1）
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT：Unity内置变量，此处为获取环境光部分。normalize()：向量归一化（以单位向量表示，仅0或1）_LightColor0：Unity内置变量，此处为访问该Pass{}处理的光源颜色和强度信息。 注意：需要定义合适的LightMode标签来获取正确的值_WorldSpaceCameraPos：Unity内置变量，此处为屏幕相机的世界空间的坐标pow(x, y)：x的y次方_WorldSpaceLightPos0：Unity内置变量，此处为获取光源方向。saturate()：防取值为0，限制值在[0, 1]dot()：矩阵点乘
参考 3.1.9
3.3 Blinn-Phong 光照模型Blinn模型没有使用反射方向，而是引入一个新的矢量 h h h。 计算高光公式如下： c s p e c u l a r = ( c l i g h t ∗ m s p e c u l a r m a x ( 0 , n ∗ h ) ) {c_{specular}=(c_{light}*m_{specular}max(0, n*h))} cspecular=(clight∗mspecularmax(0,n∗h))
- 新建材质，命名 BlinnPhongMat
- 新建Unity Shader，命名为 Chapter6-BlinnPhone，并赋予以上材质
- 复制 Chapter6-specularPixelLevel 代码，仅修改以下代码：
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
...
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.world.xyz);
fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
fixed3 specular = _LightColor0.xyz * _Specular.xyz + pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
- 效果如下图所示：
float3 WorldSpaceViewDir(float4 v)输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到摄像机的观察方向float3 UnityWorldSpaceViewDir(float4 v)输入一个世界空间中的顶点坐标，返回世界空间中从该点到摄像机的观察方向float3 ObjSpaceViewDir(float4 v)输入一个模型空间中的顶点位置，返回模型空间中从该点到摄像机的观察方向float3 WorldSpaceLightDir(float4 v)仅可用于前向渲染中。输入一个模型空间中的顶点位置，返回世界空间中从该点到光源的光照方向float3 UnityWorldSpaceLightDir(float4 v)仅可用于前向渲染中，输入一个世界空间中的顶点位置。返回世界空间中从该点到光源的光照方向float3 ObjSpaceLightDir(float4 v)仅可用于前向渲染中，输入一个模型空间中的顶点位置。返回模型空间中从该点到光源的光照方向float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm)把法线方向从模型空间转换到世界空间中float3 UnityObjectToWorldDir(in float3 dir)把方向矢量从模型空间变换到世界空间中float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir)把方向矢量从世界空间变换到模型空间中
WorldSpaceViewDir()函数：返回值未被归一化，使用需要先归一。
