Unity Shader-光照

反射与折射

只考虑平行光，且物体表面光滑。

​ 高光反射：光射到物体表面直接被反射出来被成为高光反射，既图中红色所画出的光线。

​ 漫反射：光射向物体表面，折射在物体内部的光经过不断地折射，再次射出物体，此被称为漫反射，既图中地蓝色所画出的光线。

BRDF光照模型：用于模拟真实地光物理。

SSS材质：用于描述光物理，属于BRDF中次表面反射其中地一部分。

标准光照模型

​ 该光照为直接光照，由光直接照射在物体表面，在反射到摄像机上，其中包含自发光，高光反射，漫反射，环境光(用于描述间接光照)。

间接光照

​ 间接光照：例如在一个红色的方块和一个蓝色的小球，当光照射到方块上经反射后照射在蓝色小球上呈现红色，在被照射到的地方，月接近方块，颜色越红，此被称为间接光照。

自发光

​ 自发光：由物体直接发光射向摄像机(自发光就等于材质颜色，本身不对周围物体造成影响，由unity中引入了全局光照之后，可以对此中影响进行模拟)。

漫反射

​ 当光照垂直于物体表面射入时没有漫反射，漫反射的强度由光的入射角度决定，颜色由光的颜色和被照射物体的材质影响。强度可以使用入射角的cos去计算。cosθ可以使用向量的叉乘公式去计算。

向量n和向量l为单位向量。

顶点漫反射

代码简单实现，此处未计算环境光（逐顶点计算）。

环境光获取：

fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

o.color = diffuse + ambient;

片元漫反射

代码简单实现：

二者之间的区别：

​ 在片元着色器中的处理更加细节，二者呈现的漫反射远看没有什么区别，近看可以法线，在顶点着色器中处理的物体表面的阴影边缘可以明显看到顶点，在片元中就没有这种情况。

半兰伯特漫反射

​ 概念：将计算公式中的点乘的结果乘上0.5加上0.5，将其范围固定到0~1之间，可以解决，前两者的阴影地方过黑的问题。

高光反射

Phong模型

计算照射到摄像机中光(紫色的向量代表)的强度和颜色。

当θ = 0度时，为最大值 1。反射的到摄像机内

当θ = 90度时，为最小值 0. 此时没有反射光进入到摄像机内

其中向量r，向量l和向量n都为单位向量。

所以最后公式为：

Blinn-Phong模型

当θ=0度时，法线向量n等于向量h。

当θ=90度时，法线向量n垂直于向量h。

Phong顶点高光反射

//高光反射
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLight, worldNom));//计算反射方向向量
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - UnityObjectToWorldDir(v.vertex));
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular * pow(max(0, dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

效果图：

Phong片元高光反射

v2f vert (appdata_base v)
{
	v2f o;
	o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
	fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
	o.worldNormal = worldNormal;
	o.worldPos = UnityObjectToWorldDir(v.vertex);
	return o; 
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
	fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
	//漫反射
	fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldLightDir, normalize(i.worldNormal)));
                
	//高光反射
	fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, i.worldNormal));
	fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPos.xyz);
	fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

	fixed3 color = ambient + diffuse + specular;
	return float4(color, 1);
}

效果图：

BlinnPhong高光反射

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
	fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
	//漫反射
	fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldLightDir, normalize(i.worldNormal)));
                
	//高光反射
	//fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, i.worldNormal));
	fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPos.xyz);
	fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
	fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(i.worldNormal, halfDir)), _Gloss);

	fixed3 color = ambient + diffuse + specular;
	return float4(color, 1);
}

该模型是将公式中reflectDir与viewDir的点积，更换成了法线和半角向量的点积。效果图如下：

unity库函数

​ 在写shader过程中尽可能去使用unity的一个库函数，因为库函数中会进行一些判断，去避免一些不必要的麻烦。

视角坐标的获取，在获取后进行normalize，有些库函数中并不进行normalize。

fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(UnityObjectToWorldDir(v.vertex)));

世界光的获取

fixed3 worldLight = UnityWorldSpaceLightDir(UnityObjectToWorldDir(v.vertex));