Unity 的基础光照

前言

光学中，我们是用辐射度来量化光。

光照按照不同的散射方向分为两种形式：漫反射（diffuse）和高光反射（specular）。

高光反射描述物体是如何反射光线的，漫反射则表示有多少光线会被折射、吸收和散射出表面。根据入射光线的数量和方向，我们可以计算出射光线的数量和方向，通常使用出射度描述它。辐射度和出射度之间是线性关系的，它们之间的比值就是材质的漫反射和高光反射属性。

接下来将会介绍Unity内的两种光照方式实现的原理以及代码实现：

内容

BRDF 模型

早期的游戏引擎一般只有一个光照模型，BRDF 模型，即标准光照模型（Bidirectional Reflectance Distribution Function），又称 Phong 模型。

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

• 自发光  描述当给定一个方向时，一个表面本身会向该方向发射多少辐射量。注意，如果没有使用全局光照，这些自发光的表面并不会照亮周围的物体，只是他本体看起来更亮而已。
• 高光反射（金属之类的）  描述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  该表面会向四周散射多少辐射量
• 环境光  描述其他所有的间接光照（就是其他物体的发射的光线）。 

兰伯特定律

发射光线的强度与表面法线和光源方向之间的夹角余弦值成正比。

漫发射的计算公式

   C = (c * m) * max( 0 , n * l )。

小写 c 为光源颜色，m 为漫反射颜色，n 是表面法线，l 是指向光源的单位矢量。需要注意应该防止发现和光源点乘的结果为负值（避免物体被从后面来的光源照亮），所以用 max 函数限制其为正数。

高光反射的计算公式

•   r = 2(n * l)n - l
•  C = (c * m) * (max(0,v * r)) ^ gloss

n,l 代表意义与漫反射公式相同，r 为光的反射方向矢量，m 为高光反射颜色，v 为 视角方向矢量，gloss 为材质的光泽度，gloss 越大亮点就越小。

Blinn 模型的高光反射计算公式

  与上述 Phong 模型不同的是，Blinn 模型引入了一个新矢量 h，通过对 v 和 l 的取平均后再归一化得到：h = (v + l) / | v + l |。

  公式为：C = (c * m) * (max ( 0, n * h ))^gloss

逐像素与逐顶点光照

 在片元着色器中计算，称为逐像素光照。在顶点着色器中计算，称为逐顶点光照（高罗德着色）。逐顶点光照是在每个顶点上计算光照，然后在渲染图元内部进行线性插值，最后输出成像素颜色。由于顶点数目小于像素数目，所以其计算量小于逐像素光照，因此在阴影交界处会出现锯齿，精细度不如逐像素光照。

Unity 的环境光和自发光

环境光可以通过 Shader 的内置变量 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 访问

自发光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就行。

漫反射和高光反射的 Shader 实现

漫反射光照模型（逐顶点）

Shader "Unity Shader Book/Chapter6/Diffuse Vertex-Level"
{
       Properties
       {
             _Diffuse("Diffuse",Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0)
       }
       SubShader
       {
             Tags { "LightMode"="ForwardBase" }   
 
             Pass
             {
                    CGPROGRAM
                    #pragma vertex vert
                    #pragma fragment frag
                    
                    #include "Lighting.cginc"
 
                    fixed4 _Diffuse;
                    struct appdata
                    {
                          float4 vertex : POSITION; //顶点在模型空间的坐标
                          float3 normal : NORMAL;  //法线
                    } ;
 
                    struct v2f
                    {
                          fixed3 color : COLOR;  //输出颜色
                          float4 pos : SV_POSITION;  //输出位置
                    } ;
 
                    
                    v2f vert (appdata v)
                    {
                          v2f o;
                          o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  //模型空间转换到裁剪空间
 
                          fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;  //环境光
 
                          fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject)); //法线方向n
 
                          fixed3 worldLight  = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); //光源位置
 
                          fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLight));  //公式计算
 
                          o.color = ambient + diffuse;
 
                          return o;
                    }
                    
                    fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
                    {
                          return fixed4(i.color,1.0);
                    }
                    ENDCG
             }
       }
}

高光反射模型（逐顶点）

Shader "Unity Shader Book/Chapter6/SpecularVertexLevel"
{
       Properties
       {
             _Diffuse("Diffuse",Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0)
             _Specular("Specular",Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0)
             _Gloss("Gloss",Range(8.0,256)) = 20 //镜面反射面积大小
       }
       SubShader
       {
             Tags { "LightMode"="ForwardBase" }   //小心，如果没有这个光源会反向
 
             Pass
             {
                    CGPROGRAM
                    #pragma vertex vert
                    #pragma fragment frag
                    
                    #include "Lighting.cginc"
 
                    fixed4 _Diffuse;
                    fixed4 _Specular;
                    float  _Gloss;
                    struct appdata
                    {
                          float4 vertex : POSITION;
                          float3 normal : NORMAL;
                    } ;
 
                    struct v2f
                    {
                          float3 color: COLOR;
                          float4 pos : SV_POSITION;
                    } ;
                    
                    v2f vert (appdata v)
                    {
                          v2f o;
                          o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                          //等同于 "o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);"
 
                          fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
 
                          fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject));
                          //或使用 UnityObjectToWorldNormal(v.normal)
                          fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
 
                          fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLightDir));
 
                          fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir,worldNormal)); //反射方向矢量r
 
                          fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz); //视线方向
 
                          fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir,viewDir)),_Gloss); //公式计算
 
                          o.color = ambient + diffuse + specular;
 
                          return o;
                    }
                    
                    fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
                    {
                          return fixed4(i.color,1.0);
                    }
                    ENDCG
             }
       }
}