Unity Shader-Phong光照模型与Specular

简介

学完了兰伯特光照模型，再来学习一个更加高级一点的光照模型-Phong光照模型。光除了漫反射，还有镜面反射。一些金属类型的材质，往往表现出一种高光效果，用兰伯特模型是模拟不出来的，所以就有了Phong模型。Phong模型主要有三部分构成，第一部分是上一篇中介绍了的Diffuse，也就是漫反射，第二部分是环境光，在非全局光照的情况下，我们一般是通过一个环境光来模拟物体的间接照明，这个值在shader中可以通过一个宏来直接获取，而第三部分Specular，也就是高光部分的计算，是一种模拟镜面反射的效果，也是本篇文章重点介绍的内容。

在现实世界中，粗糙的物体一般会是漫反射，而光滑的物体呈现得较多的就是镜面反射，最明显的现象就是光线照射的反射方向有一个亮斑。再来复习一下镜面反射的概念：当平行入射的光线射到这个反射面时，仍会平行地向一个方向反射出来，这种反射就属于镜面反射，其反射波的方向与反射平面的法线夹角（反射角），与入射波方向与该反射平面法线的夹角（入射角）相等，且入射波、反射波，及平面法线同处于一个平面内。反射光的亮度不仅与光线的入射角有关，还与观察者视线和物体表面之间的角度有关。镜面反射通常会造成物体表面上的“闪烁”和“高光”现象，镜面反射的强度也与物体的材质有关，无光泽的木材很少会有镜面反射发生，而高光泽的金属则会有大量镜面反射。

Phong光照模型

Phong光照模型中主要的部分就是对高光的计算，首先来看下面这张图片：

理想情况下，光源射出的光线，通过镜面反射，正好在反射光方向观察，观察者可以接受到的反射光最多，那么观察者与反射方向之间的夹角就决定了能够观察到高光的多少。夹角越大，高光越小，夹角越小，高光越大。而另一个影响高光大小的因素是表面的光滑程度，表面越光滑，高光越强，表面月粗糙，高光越弱。L代表光源方向，N代表顶点法线方向，V代表观察者方向，R代表反射光方向。首先需要计算反射光的方向R，反射光方向R可以通过入射光方向和法向量求出，R + L = 2dot(N,L)N，进而推出R = 2dot(N,L)N - L。关于R计算的推导，可以看下面这张图：

不过在cg中，我们不用这么麻烦，cg为我们提供了一个计算反射光方向的函数reflect函数，我们只需要传入入射光方向（光源方向的反方向）和表面法线方向，就可以计算得出反射光的方向。然后，我们通过dot（R,V）就可以得到反射光方向和观察者方向之间的夹角余弦值了。下面给出冯氏反射模型公式：

I(spcular) = I * k * pow(max(0,dot(R,V)), gloss) ，其中I为入射光颜色向量，k为镜面反射系数，gloss为光滑程度。

通过上面的公式，我们可以看出，镜面反射强度跟反射向量与观察向量的余弦值呈指数关系，指数为gloss，该系数反映了物体表面的光滑程度，该值越大，表示物体越光滑，反射光越集中，当偏离反射方向时，光线衰减程度越大，只有当视线方向与反射光方向非常接近时才能看到高光现象，镜面反射光形成的光斑较亮并且较小；该值越小，表示物体越粗糙，反射光越分散，可以观察到光斑的区域越广，光斑大并且强度较弱。

Phong光照模型在Unity中的实现

下面看一下冯氏光照模型在Unity中的实现，由于有高光，为了更好的效果，我们将主要的计算放到了fragment shader中进行。不多说，上代码：

Shader "ApcShader/SpecularPerPixel"
{
	//属性
	Properties
	{
		_Diffuse("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
		_Specular("Specular", Color) = (1,1,1,1)
		_Gloss("Gloss", Range(1.0, 255)) = 20
	}

	//子着色器	
	SubShader
	{
		Pass
		{
			//定义Tags
			Tags{ "LightingMode" = "ForwardBase" }

			CGPROGRAM
			//引入头文件
			#include "Lighting.cginc"

			//定义函数
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			fixed4 _Diffuse;
			fixed4 _Specular;
			float _Gloss;

			//定义结构体：应用阶段到vertex shader阶段的数据
			struct a2v
			{
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			};

			//定义结构体：vertex shader阶段输出的内容
			struct v2f
			{
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal : NORMAL;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
			};

			//顶点shader
			v2f vert(a2v v)
			{
				v2f o;
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
				//法线转化到世界空间
				o.worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)_World2Object));
				//顶点位置转化到世界空间
				o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
				return o;
			}

			//片元shader
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
			{
				//环境光