Unity Shader入门精要 | 基础光照

目录

• 标准光照模型
• 环境光（ambient）
• 自发光（emissive）
• 漫反射（diffuse）
• Lambert模型
• 半兰伯特模型
• 高光反射（specular）
• Blinn-Phong模型
• 逐像素还是逐顶点
• Unity内置函数

标准光照模型

标准光照模型（又称为Phong模型）只关心直接光照，即直接照射到物体表面后，经过一次反射进入摄像机的光线，它将这些光线分为四个部分：

• 自发光（emissive）：表面本身会朝着给定方向发射的辐射量
• 高光反射（specular）：镜面反射的辐射量
• 漫反射（diffuse）：向四周散射的辐射量
• 环境光（ambient）：其他所有间接光照

环境光（ambient）

通常在场景中使用一个全局变量：
$c_{ambient} = g_{ambient}$cambient​=gambient​

自发光（emissive）

使用该材质的自发光颜色：
$c_{emissive} = m_{emissive}$cemissive​=memissive​

在实时渲染中，自发光的表面不会照亮周围的表面，即这个物体并不会被当成光源。

漫反射（diffuse）

Lambert模型

漫反射光照符合兰伯特定律（Lambert’s law），反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比，因此漫反射部分的计算如下：
$c_{diffuse} = (c_{light}\cdot m_{diffuse})max(0,n\cdot \Iota)$cdiffuse​=(clight​⋅mdiffuse​)max(0,n⋅I)

其中， $n$n是表面法线， $\Iota$I是指向光源的单位矢量， $m_{diffuse}$mdiffuse​是材质的漫反射颜色， $c_{light}$clight​是光源颜色。需要防止法线和光源方向点乘的结果为负值，这样可以防止物体被从后面来的光源照亮。

半兰伯特模型

待补充

高光反射（specular）

计算高光反射需要表面法线、视角方向、光源方向、反射方向等数据。

反射方向可以经过计算得到：
$r = 2(\hat{n}\cdot \Iota)\hat{n}-\Iota$r=2(n^⋅I)n^−I

接着用Phong模型计算高光反射的部分：
$c_{specular} = (c_{light}\cdot m_{specular})max(0,\hat{v}\cdot r)^{m_{gloss}}$cspecular​=(clight​⋅mspecular​)max(0,v^⋅r)mgloss​

其中 $m_{gloss}$mgloss​是材质的光泽度，它控制高光区域的亮点大小， $m_{specular}$mspecular​是材质的高光反射颜色， $c_{light}$clight​是光源的颜色和强度。

Blinn-Phong模型

Blinn提出一个修改方法来避免计算反射方向 $\hat{v}$v^，为此引入了新的矢量 $\hat{h}$h^，对 $\hat{v}$v^和 $\hat{\Iota}$I^取平均后再归一化来得到：
$\hat{h}= \frac{\hat{v}+\Iota}{\left|\hat{v}+\Iota\right|}$h^=∣v^+I∣v^+I​

然后使用 $\hat{n}$n^和 $\hat{h}$h^之间的夹角来计算，如下所示：

Blinn模型公式：
$c_{specular} = (c_{light}\cdot m_{specular})max(0,\hat{n}\cdot\hat{h})^{m_{gloss}}$cspecular​=(clight​⋅mspecular​)max(0,n^⋅h^)mgloss​

逐像素还是逐顶点

逐像素是在片元着色器中计算光照模型，逐顶点则是在顶点着色器中计算。

逐像素以每个像素为基础，得到法线（可以是对顶点法线插值，或者对法线纹理采样）然后进行计算，这种技术称为Phong着色（Phong Shading）。

逐顶点的方法称为高洛德着色（Gouraud Shading），在图元内部进行线性插值，计算量比逐个像素计算要小，但是对于非线性的情况会有比较明显的问题。

Unity内置函数

内置函数得到的方向需要归一化。