unity shader基础之——unity中实现高光反射

由 demi 提交于周二, 8 九月 2020 - 10:40

一、在shader中实现高光反射光照模型

本篇在unity实现高光反射。

在之前给出了基本光照模型中高光反射部分计算公式：

Cspecular=(Clight∗mspecular)*pow(max(0,v^∗r^),gloss)

从公式可以看出，计算高光反射需要知道4个参数：

入射光线的颜色和强度Clight

材质的高光反射系数mspecular

视角方向v^

反射方向r^

其中，反射方向r^可以由表面法线n^和光源方向l^计算而得：

r^=l^-2（n^·l^）n^

并且，Cg提供了计算反射方向的函数reflect。

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，下图给出了参数和返回值之间的关系：

1.1 实践：逐顶点光照

1. 声明属性控制高光反射：

<pre>Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
</pre>

其中，_Specular用于控制材质高光反射颜色，而_Gloss用于控制高光区域大小。

2. 指明光照模式，声明指令，包含unity内置文件Lighting.cginc，定义对应变量：

<pre>Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }

CGPROGRAM

#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

#include "Lighting.cginc"

fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
</pre>

3. 定义顶点着色器的输入和输出结构体：

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

struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR;
};
</pre>

4. 顶点着色器中，计算了包含高光反射的光照模型：

<pre>v2f vert(a2v v) {
v2f o;
// Transform the vertex from object space to projection space
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

// Get ambient term
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

// Transform the normal from object space to world space
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
// Get the light direction in world space
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

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

// Get the reflect direction in world space
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
// Get the view direction in world space
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);

// Compute specular term
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

o.color = ambient + diffuse + specular;

return o;
}
</pre>

其中漫反射部分的计算和上一篇文章中代码一致。对于高光反射部分，首先计算了入射光线关于表面法线的反射方向reflectDir，由于Cg的reflect函数的入射方向要求是由光源指向交点处的，因此需要对worldLightDir取反再传给reflect函数，然后我们通过_WorldSpaceCameraPos得到了世界空间中的摄像机位置，再把顶点位置从模型空间变换到世界空间下，与其相减即可得到世界空间下的视角方向。

由此得到了所有的4个参数，代入公式可以得到高光反射的光照部分，最后再和环境光、漫反射光相加存储到最后颜色中。

5. 片元着色器代码只需直接返回顶点颜色：

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

效果图：

使用逐顶点方法得到的高光部分明显不平滑，主要是高光部分的计算是非线性的，而在顶点着色器中计算光照在进行插值的过程是线性的，破坏了原计算的非线性关系，就会出现较大视觉问题，因此就需要使用逐像素方法计算高光反射。

1.2 实践：逐像素光照

我们使用逐像素光照得到更加平滑的高光效果。

1. 修改顶点着色器输出结构体v2f：

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

struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldPos : TEXCOORD1;
};
</pre>

2. 顶点着色器只需要计算世界空间下的法线方向和顶点坐标，并把它们传递给片元着色器：

<pre>
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
// Transform the vertex from object space to projection space
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

// Transform the normal from object space to world space
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
// Transform the vertex from object spacet to world space
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

return o;
}
</pre>

3. 片元着色器需要计算关键的光照模型：

<pre>fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
// Get ambient term
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

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

return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
</pre>

效果图：

可以看出，按逐像素方式处理光照可以得到更平滑的高光效果，至此实现了一个完整的Phong光照模型。

1.3 Blinn-Phong光照模型

之前的文章提到过另一种高光反射实现方法——Blinn光照模型，Blinn光照模型没有使用反射方向，而是引入了一个新的矢量h^，它是通过对视角方向v^和光照方向相加后再归一化得到的，即：

而Blinn模型计算高光反射公式如下：

Cspecular = Clight * mspecular * pow(max(0, dot(n^, h^), gloss))

Blinn-Phong模型的实现和上一小节代码很类似：

<pre>fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
// Get ambient term
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

// Compute diffuse term
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));

// Get the view direction in world space
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
// Get the half direction in world space
fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
// Compute specular term
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);

return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
</pre>

下图给出逐顶点高光反射光照、逐像素高光反射光照（Phong模型）和Blinn-Phong高光反射光照的对比结果：

可以看出，Blinn-Phong光照模型的高光反射部分看起来更大、更亮一些。再实际渲染中，大多数情况都会选择Blinn-Phong光照模型，这两种模型都是经验模型，不应该认为Blinn-Phong模型是对“正确的”Phong模型的近似。

二、使用Unity内置的函数

再计算光照模型的时候，往往需要得到光源方向、视角方向这两个基本信息，上面例子中我们都是自行再代码计算的，但是如果需要处理更复杂的光照模型，如点光灯和聚光灯，我们之前计算光源方向的方法就是错误的，这需要我们在代码中先判断光源类型，再计算它的光源信息。

手动计算光源信息比较麻烦，unity提供了一些内置函数来帮助计算，下面给出UnityCG.cginc里一些有用的帮助函数：

注意，类似UnityXXX的几个函数是unity5中新添加的内置函数。这些帮助函数让我们不需要各种变幻矩阵、内置变量打交道，也不需要考虑各种不同的情况（例如使用了哪种光源）。

需要注意，这些函数都没有保证得到的方向矢量是单位矢量，因此我们在使用前要把他们归一化。

计算光源方向的3个函数：WorldSpaceLightDir、UnityWorldSpaceLightDir、和ObjSpaceDir稍微复杂一些，因为unity帮我们处理了不同种类光源的情况。这三个函数仅可用于前向渲染，因为只有在前向渲染时，这3个函数使用的_WorldSpaceLightPos0等才会被正确赋值。

下面使用内置函数改写之前的Blinn-Phong 光照模型的shader：

1. 在顶点着色器中，使用内置的UnityObjectToWorldNormal函数计算世界空间下的法线方向：

<pre>v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

// Use the build-in funtion to compute the normal in world space
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);

return o;
}
</pre>

2. 在片元着色器中，使用内置的UnityWorldSpaceLightDir函数和UnityWorldSpaceViewDir函数分别计算世界空间的光照方向和视角方向。

<pre>fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
// Use the build-in funtion to compute the light direction in world space
// Remember to normalize the result
fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));

fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));

// Use the build-in funtion to compute the view direction in world space
// Remember to normalize the result
fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);

return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
</pre>

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