Unity Shader入门精要——几种光照模型

果冻喜之郎

已于 2022-03-03 21:01:30 修改

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分类专栏： shader 文章标签： shader

于 2021-09-08 16:14:00 首次发布

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本文详细介绍了在Unity引擎中如何处理Phone模型的光照效果，包括环境光、漫反射和高光反射的计算，以及Blinn模型的应用。通过CG函数和Shader实现，涉及光照方向计算、反射方向处理以及材质参数的影响。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

Phone模型

环境光+漫反射+高光反射

高光反射计算公式：

$C_{specular} = (C_{light}\cdot m_{specular})max(0,\hat{v}\cdot r)^{m_{gloss}}$

Clight：入射光线的颜色和强度Cighr

Mspecular：材质的高光反射系数

v：视角方向 r：反射方向

其中，反射方向r可以由表面法线n和光源I计算而得： $r = 2(\hat{n}\cdot \hat{I})\hat{n}-\hat{I}$

上述公式可以用CG函数reflect代替：

函数: reflect(i, n)
参数: i,入射方向; n,法线方向。可以是float、 float2、 float3等类型。
描述:当给定入射方向i和法线方向n时，reflect 函数可以返回反射方向。图6.9给出了参数和返回值之间的关系。

由于CG的reflect函数的入射方向要求是由光源指向交点处的，因此我们需要对worldLightDir取反后再传给reflect 函数。

// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

Shader "Unlit/Phone"
{
    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" }
        LOD 100

        //逐像素光照
        
        Pass
        {
            Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // make fog work
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD0;
                float3 worldPos : TEXCOORD1;
            };

            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                //顶点模型空间转换为裁剪空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                
                //法线模型空间转到世界空间
                o.worldNormal = mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject);
                //顶点从模型空间转为世界空间
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
                
             
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                //环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                fixed3 worldLighDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                //漫反射
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLighDir));
                //世界空间反射光
                fixed3 reflectDir = normalize(reflect (-worldLighDir,worldNormal));
                //世界空间视线
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
                //高光反射
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb *pow(saturate(dot(reflectDir,viewDir)),_Gloss);

                 
                return fixed4(ambient + diffuse + specular , 1.0);

            }
            ENDCG
        }
    }
}

Blinn—Phone模型

Blinn 模型没有使用反射方向，而是引入一个新的矢量h，它是通过对视角方向v和光照方向I相加后再归一化得到的。即 $\hat{h} = \frac{\hat{v}+\hat{I}}{\left |\hat{v}+\hat{I} \right |}$

Blinn模型计算高光反射如下：

$C_{specular} = (C_{light}\cdot m_{specular})max(0,\hat{n}\cdot \hat{h})^{m_{gloss}}$

// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'

Shader "Unlit/Phone"
{
    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" }
        LOD 100

        //逐像素光照
        
        Pass
        {
            Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // make fog work
            #pragma multi_compile_fog

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD0;
                float3 worldPos : TEXCOORD1;
            };

            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                //顶点模型空间转换为裁剪空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                
                //法线模型空间转到世界空间
                o.worldNormal = mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject);
                //顶点从模型空间转为世界空间
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
                
             
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                //环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                fixed3 worldLighDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                //漫反射
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLighDir));
                
                //世界空间视线
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
                //Blinn模型新矢量：视角方向和光照方向相加后归一化
                fixed3 halfDir = normalize(worldLighDir + viewDir);
                //高光反射
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb *pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)),_Gloss);

                 
                return fixed4(ambient + diffuse + specular , 1.0);

            }
            ENDCG
        }
    }
}