unity shader 空间变换 unity shader frac

标准光照模型

标准光照模型的基本方法是：
把进入到摄像机内的方法分为四个部分，每个部分使用一种方法来计算他的贡献度。四个部分分别为：

• 自发光
• 高光反射
• 漫反射
• 环境光

光照模型的计算：
通常来说有两种选择 —— 逐像素光照和逐顶点光照，分别在片元着色器和顶点着色器中进行

在Unity中实现漫反射光照模型

常用CG函数 - saturate(x)

实践 - 逐顶点漫反射光照

Shader "Unity Shaders Book/Chapter6/Diffuse Vertex-Level"
{
	Properties
	{
		_Diffuse("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
	}

	SubShader
	{
		Pass
		{
			Tags{ "LightMode" = "ForwardBase" }

			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"

			fixed4 _Diffuse;

			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			};

			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				fixed3 color : COLOR;
			};

			v2f vert(a2v v) {//编写顶点着色器
				v2f o;
				//将顶点从模型空间转换到裁剪空间
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				//通过内置变量获得环境光
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
				//
				fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
				//
				fixed3 worldLight = normalize( _WorldSpaceLightPos0.xyz );
				//
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));

				o.color = ambient + diffuse;
				
				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				return fixed4(i.color,1.0);
			}

            ENDCG
        }
    }

	FallBack "Diffuse"
}

对于细分程度较高的模型，逐顶点光照已经可以得到比较好的光照效果了。但对于一些细分程度较低的模型，比如我们所使用的 Unity 内置的胶囊体，在其背光面和向光面交界处会看到一些锯齿

实践 - 逐片元漫反射光照

Shader "Unity Shaders Book/Chapter6/Diffuse Pixel-Level"
{
	Properties
	{
		_Diffuse("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
	}

		SubShader
	{
		Pass
		{
			Tags{ "LightMode" = "ForwardBase" }

			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"

			fixed4 _Diffuse;

			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			};

			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				fixed3 worldNormal : TEXCOORD0;
			};

			v2f vert(a2v v) {//编写顶点着色器，只需要将世界空间下的法线传递给片元着色器
				v2f o;
				//将顶点从模型空间转换到裁剪空间
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				//
				o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);

				return o;
			}

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				//通过内置变量获得环境光
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
				//
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				//
				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
				//
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));

				fixed3 color = ambient + diffuse;

				return fixed4(color,1.0);
			}

			ENDCG
		}
	}

		FallBack "Diffuse"
}

逐片元光照可以得到更加平滑的光照效果

完成上面的两部分 Shader 编写后，我们可以看到使用了这些 shader 的胶囊体在场景中的效果：

但是即便使用了逐片元光照，在模型的被光面，模型外观几乎是全黑的，没有明暗变化。为了改善这个效果，我们需要引入新的技术

半兰伯特模型

在之前编写两种漫反射光线效果时，所使用的漫反射光照模型被称为兰伯特光照模型。为了改善之前提到的问题，Valve在开发《半条命》时提到了一种技术——半兰伯特光照模型

广义的半兰伯特光照模型公式如下：

与原来的公式相比，半兰伯特模型没有使用 max 来防止点积结果的负值，而是使用了一个α的缩放和β的偏移（通常都为0.5）

对于模型的被光面，使用原来的兰伯特模型会将点积的结果映射到0处，而半兰伯特模型将点积范围从[-1,1]映射到[0,1]，被光面也可以有明暗变化

（半兰伯特模型仅仅是一个视觉加强技术，并没有物理依据）

对上面逐片元光照 shader 代码中片元着色器部分的计算漫反射光照部分进行修改即可：

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				//通过内置变量获得环境光
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
				//
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				//
				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

				//(修改部分)
				fixed halfLambert = dot(worldNormal, worldLightDir) * 0.5 + 0.5;
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * halfLambert;

				fixed3 color = ambient + diffuse;

				return fixed4(color,1.0);
			}

我们可以在 Unity 中观察到这些胶囊体的差别：

在Unity中实现高光反射模型

基本光照模型中，计算高光反射部分的公式如下：

我们需要知道四个参数：入射光线的颜色和强度，材质的高光反射系数，视角方向和反射方向。其中，反射方向可以由表面法线和光源方向计算得到：

常用CG函数 - reflect(i,n)

实践 - 逐顶点光照

Shader "Unlit/Chapter6/Specular Vertex-Level"
{
	Properties
	{
		_Diffuse("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
		_Specular("Specular",Color) = (1,1,1,1)
		_Gloss("Gloss",Range(8.0,256)) = 20
	}
		SubShader
	{
		Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

		Pass
		{
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"

			fixed4 _Diffuse;
			fixed4 _Specular;
			float _Gloss;

            struct a2f
            {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
				float4 pos : SV_POSITION;
				fixed3 color : COLOR;
            };

            v2f vert (a2f v)
            {
				//
				v2f o;
				//
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				//
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

				//
				fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
				//
				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
				//
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));

				//计算入射光线的反射方向
				fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
				//计算世界空间下的视角方向
				fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);

				//计算高光反射部分
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

				//将计算结果存入颜色中
				o.color = ambient + diffuse + specular;

				return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
				return fixed4(i.color,1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }

	FallBack "Specular"
}

完成上面的代码后，我们可以在 Unity 中观察使用了这个 Shader 的胶囊体的高光反射效果：

可以看到，我们得到的高光反射并不平滑。这是因为，高光反射部分的计算是非线性的，而顶点着色器中计算光照再进行插值的过程是非线性的，这破坏了原计算的非线性关系。因此我们需要使用逐像素的方式计算高光反射

实践 - 逐片元光照

Shader "Unlit/Chapter6/Specular Pixel-Level"
{
	Properties
	{
		_Diffuse("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
		_Specular("Specular",Color) = (1,1,1,1)
		_Gloss("Gloss",Range(8.0,256)) = 20
	}
		SubShader
	{
		Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

		Pass
		{
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"

			fixed4 _Diffuse;
			fixed4 _Specular;
			float _Gloss;

			struct a2f
			{
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			};

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

			v2f vert(a2f v)
			{
				//
				v2f o;
				//
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				
				//
				o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
				//
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
				

				return o;
			}

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

				//
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));

				//计算入射光线的反射方向
				fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
				//计算世界空间下的视角方向
				fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - );

				//计算高光反射部分
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

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

		FallBack "Specular"
}

可以看到，通过逐像素的方法，我们得到了更加平滑的光照效果

至此，我们已经实现了一个完整的 Phong 光照模型

Blinn-Phong 光照模型

除了上面所用的 Phong 模型以外，我们还可以使用 Blinn光照模型来实现高光反射：

在 Blinn 模型中，没有使用反射向量，而引入了一个通过把视角方向和光照方向相加后再归一化得到的新的矢量h，而 Blinn 模型中计算高光反射的公式为：

我们可以在 Unity 中实现这一模型，相比起 Phong 模型的逐片元光照实现，只需要修改高光反射的计算部分：

//计算高光反射部分(和Phong高光模型逐片元光照的唯一差别)
	fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

从下面可以看到在场景中对应胶囊体的效果：

Unity的内置函数

计算光照模型时，我们往往需要得到光源的方向和视角方向这两个向量，而在上面的例子中，我们都是自行在代码中进行计算的。我们分别通过以下两个语句来获取光源方向和视角方向：

//得到光源方向
normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
//得到视角方向
normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - );

但如果处理更复杂的光源类型，如点光源和聚光灯，那么我们计算光线光源的方法就是错误的。这需要我们先判断光源类型，再计算他的光源信息

Unity 中提供了一些内置函数来帮助我们计算这些光源信息：

（内置函数得到的方向是没有归一化的，使用之前注意归一化来得到单位矢量）

我们可以使用内置函数替换之前的一些计算，简化 shader 的编写