1、Unity光源模型

1.1 两种渲染方式

前向渲染：每个物体都有可能被重复渲染，即基于物体的光源渲染；超出灯光设置数量被当作顶点光（6*6）

延迟渲染：基于光源的物体渲染；以灯光为单位，先计算灯光所需东西，如RT0为漫反射，RT1为金属度，RT2为法线图；对于多光源友好（6+6）；

区别：延迟渲染需要MRT技术（multi render target）和空间容量大

1.2 前向渲染

Unity两种前向渲染管线

bulid in:跟上文提到的概念一样；个pass；base仅一个方向光。

urp：一个pass，最多八盏灯；

1.3 Phong光源模型

高光反射：pow(RdotV，smoothness)×lightcolor；

漫反射：NdotL×lightcolor

若附加纹理，相乘即可。

1.4 法线贴图

unity中的切线a分量是为了兼容各平台差异

法线贴图需要解码，解码后调整隆起大小再转至TBN空间

反射为什么灯光要负方向？

因为unity内置的计算灯光方向是从模型向光源走

forwardbase的实现：

Shader "Unlit/phong2"
{Properties{_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_smoothness("Smoothness",Range(0.01,100))=1.0_specuIntensity("SpecuIntensity",Range(0.00,100))=1.0_NormalTex ("NormalTex", 2D) = "white" {}_normalIntensity("NormalIntensity",Range(0.00,5))=1.0}SubShader{LOD 100Pass{Tags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_fwdbase#include "AutoLight.cginc"#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 nor:NORMAL;float4 tangent:TANGENT;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float4 vertex : SV_POSITION;float3 posW:TEXCOORD1;float3 norW:TEXCOORD2;float3 tangentW:TEXCOORD3;float3 biNormal:TEXCOORD4;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float4 _LightColor0;float _smoothness;float _specuIntensity;float _normalIntensity;sampler2D _NormalTex;float4 _NormalTex_ST;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.posW=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);o.norW=normalize(mul(float4(v.nor,0.0),unity_ObjectToWorld).xyz);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);o.tangentW=normalize(mul(unity_ObjectToWorld,float4(v.tangent.xyz,0.0)).xyz)*v.tangent.w;o.biNormal=normalize(cross(o.tangentW,o.norW));return o;}half4 frag (v2f i) : SV_Target{half3 final;//normal mapfloat4 normalmMap=tex2D(_NormalTex,i.uv);float3 normal=UnpackNormal(normalmMap).xyz;normal.xy=normal.xy*_normalIntensity;float3 tangentW=normalize(i.tangentW);float3 biNormal=normalize(i.biNormal);float3 norW=normalize(i.norW);float3x3 TBN=float3x3(tangentW,biNormal,norW);normal=normalize(mul(normal,TBN)) ;// ambientfixed4 baseColor = tex2D(_MainTex, i.uv);half3 ambient=baseColor.rgb*UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;//DIFFUSE//float3 normalW=normalize(i.norW);float3 L=normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.posW));float NdotL=saturate(dot(L,normal));//half3 diffuse=NdotL*baseColor.rgb*_LightColor0.xyz;//SPECULARfloat3 R=reflect(-L,normal);//float3 viewDirW=normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.posW));float3 specu=pow(saturate(dot(R,viewDirW)),_smoothness)*_LightColor0.xyz*_specuIntensity;final=diffuse.rgb+ambient.rgb+specu.rgb;return half4(final,1.0);}ENDCG}}
}

forwardadd的实现：

Tags { "LightMode"="ForwardAdd" }Blend One OneCGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#pragma multi_compile_fwdadd#include "AutoLight.cginc"#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 nor:NORMAL;float4 tangent:TANGENT;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float4 vertex : SV_POSITION;float3 posW:TEXCOORD1;float3 norW:TEXCOORD2;float3 tangentW:TEXCOORD3;float3 biNormal:TEXCOORD4;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float4 _LightColor0;float _smoothness;float _specuIntensity;float _normalIntensity;sampler2D _NormalTex;float4 _NormalTex_ST;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.posW=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);o.norW=normalize(mul(float4(v.nor,0.0),unity_ObjectToWorld).xyz);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);o.tangentW=normalize(mul(unity_ObjectToWorld,float4(v.tangent.xyz,0.0)).xyz)*v.tangent.w;o.biNormal=normalize(cross(o.tangentW,o.norW));return o;}half4 frag (v2f i) : SV_Target{half3 final;//光源衰减#if defined(DIRECTIONAL)float3 L=normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.posW));float  attenuation=1.0;#elif defined(POINT)float3 L=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz-i.posW);float distance=length(_WorldSpaceLightPos0.xyz-i.posW);float Range=1.0/unity_WorldToLight[0][0];float  attenuation=saturate(Range-distance/Range);#endif//光源衰减//normal mapfloat4 normalmMap=tex2D(_NormalTex,i.uv);float3 normal=UnpackNormal(normalmMap).xyz;normal.xy=normal.xy*_normalIntensity;float3 tangentW=normalize(i.tangentW);float3 biNormal=normalize(i.biNormal);float3 norW=normalize(i.norW);float3x3 TBN=float3x3(tangentW,biNormal,norW);normal=normalize(mul(normal,TBN)) ;// ambientfixed4 baseColor = tex2D(_MainTex, i.uv);half3 ambient=baseColor.rgb*UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;//DIFFUSE//float3 normalW=normalize(i.norW);float NdotL=saturate(dot(L,normal));//half3 diffuse=NdotL*baseColor.rgb*_LightColor0.xyz;//SPECULARfloat3 R=reflect(-L,normal);//float3 viewDirW=normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.posW));float3 specu=pow(saturate(dot(R,viewDirW)),_smoothness)*_LightColor0.xyz*_specuIntensity;final=(diffuse.rgb+specu.rgb)*attenuation;return half4(final,1.0);}

点光源衰减范围：r-d/r

bliphong，在phong模型基础上优化高光反射，减少消耗，（半角向量）h＝l+v，NdotH

// phong// float3 R=reflect(-L,normal);// float RdotN=saturate(dot(R,norW));// float3 specu=pow(RdotN,_smoothness)*_LightColor0.xyz*_specuIntensity;//bliphongfloat3 viewDirW=normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.posW));float3 h=max(0.0,L+viewDirW);float HdotN=saturate(dot(h,norW));float3 specu=pow(HdotN,_smoothness)*_LightColor0.xyz*_specuIntensity;

BliPhong Phong

2、ACESFilm tone-mapping:

显示器显示范围为0-1，为LDR，而计算机渲染可以是任意数值。HDR→LDR过程造成失真，丢失许多细节。（HDR：高动态范围）

解决这个问题：HDR→LDR(tone-mapping)

tone-mapping(个人经验)，pow(basecolor(diffuse2d)，2.2)转换至线性空间，pow(tonecolor，1.0/2.2)转换至伽马空间。

ACESFilm not

全局环境光开启泛光？解决：globalAmbient×baseColor;

3、视差贴图（原理还是不熟悉）：

置换贴图，模型表面曲面细分，高密度顶点，读取高度图，顶点偏移。深度图，其实是高度图的反相，白色代表凹陷

for (int i = 0; i < 10; i++)
{half height = tex2D(_ParallaxMap, uv_parallax);uv_parallax = uv_parallax+ (1.0 - height) * view_tangentspace.xy * _Parallax * 0.01f;
}

开启未开启

4、shadowmap

shadowmap
screen space shadowmap
联级阴影(csm) cascaded shadowmapping：shadowmap基础上，视锥体分级

shadowmap就是一张深度图,

shadowmap实现：光源相机渲染深度信息，物体转换至光源相机空间，跟shadowmap里的深度值作比较，若片元深度值＞深度值(shadowmap)，光面。反之阴影面。

联级阴影以及屏幕空间下的阴影还需深入学习！

注意：光位置的w分量可以判断是否为平行光，0为平行光。1为点光。

5、间接光照

5.1基本概念

环境光≈间接光

三种技术实现：

LightMap(预先烘焙好)
反射探针：捕抓环境信息→环境贴图，模拟漫反射
光照探针：预先收集环境和光源的漫反射信息，模拟漫反射；

实现原理：

环境贴图
IBL基于图像的照明
SH球谐光照

CubeMap采样全景图实现：

反射探针和CubeMap实现：

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{// sample the texturefloat3 viewDir=UnityWorldSpaceViewDir(i.posW);float3 normalW=normalize(i.normalW);float3 ref=reflect(-viewDir,normalW);//反射探针float4 environColor=UNITY_SAMPLE_TEXCUBE(unity_SpecCube0,ref);//为了移动端也可以获取到HDR的信息float3 hdrColor=DecodeHDR(environColor,unity_SpecCube0_HDR);//fixed4 col = texCUBE(_CubeMap, ref);//CubeMapreturn float4(hdrColor,1.0);
}

6、IBL 基于图像的照明

ibl ，一个设置一行代码。

为什么是mipmap？

pow对比度，直接相乘亮度，lerp整体粗糙度，线性粗糙度

ibl镜面反射和漫反射

使用IBL要三线性过滤

IBL实现一般不需要大尺寸（压缩压缩再压缩，，，，）

IBL间接镜面反射光：

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{// 取rougness，算出mipmap的levelfloat roughness=tex2D(_RoughtMap,i.uv).r;roughness=pow(roughness,_Contrastion)*_Brighteness;roughness=lerp(_RoughnessMin,_RoughnessMax,roughness);roughness = roughness * (1.7 - 0.7 * roughness);float level=roughness*6.0;//取法线，算反射float3 normaldata= UnpackNormal(tex2D(_NormalMap,i.uv));float3 normalW=normalize(i.normalW);float3 tangent=normalize(i.tangent);float3 binormal=normalize(i.binormal); float3x3 TBN=float3x3(tangent,binormal,normalW);float3 normal=normalize(mul(normaldata,TBN));float3 viewDir=UnityWorldSpaceViewDir(i.posW);float3 reflectDir=reflect(-viewDir,normal);//aofloat aoMap=tex2D(_AOMap,i.uv).r;float ao= lerp(1.0,aoMap,_AOAdjust);//cubemap的ibl实现float4  cubeMap=texCUBElod(_CubeMap,float4(reflectDir,level));float3  envir=DecodeHDR(cubeMap,_CubeMap_HDR).rgb;//cubemap的probe实现//half4 color_cubemap = UNITY_SAMPLE_TEXCUBE_LOD(unity_SpecCube0, reflectDir, level);//half3 envir = DecodeHDR(color_cubemap, unity_SpecCube0_HDR);//确保在移动端能拿到HDR信息//最终颜色float3  col=envir*_Tint.rgb*_Tint.rgb*ao* _Expose;//tonemappingcol=pow(col,2.2);col=ACES_Tonemapping(col);col=pow(col,1/2.2);return float4(col,1.0);
}

IBL间接漫反射光：

float4 uv_ibl = float4(normal_dir, mip_level);half4 color_cubemap = texCUBElod(_CubeMap, uv_ibl);
half3 env_color = DecodeHDR(color_cubemap, _CubeMap_HDR);//确保在移动端能拿到HDR信息

7、球谐光照（SH）

sh球谐光照内置实现（light probe的probe）

在forwardbase实现；

造轮子实现：

half4 frag (v2f i) : SV_Target
{half3 normal_dir = normalize(i.normal_world);half3 normaldata = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap,i.uv));normaldata.xy = normaldata.xy* _NormalIntensity;half3 tangent_dir = normalize(i.tangent_world);half3 binormal_dir = normalize(i.binormal_world);normal_dir = normalize(tangent_dir * normaldata.x+ binormal_dir * normaldata.y + normal_dir * normaldata.z);half ao = tex2D(_AOMap, i.uv).r;ao = lerp(1.0,ao, _AOAdjust);float4 normalForSH = float4(normal_dir, 1.0);//SHEvalLinearL0L1half3 x;x.r = dot(custom_SHAr, normalForSH);x.g = dot(custom_SHAg, normalForSH);x.b = dot(custom_SHAb, normalForSH);//SHEvalLinearL2half3 x1, x2;// 4 of the quadratic (L2) polynomialshalf4 vB = normalForSH.xyzz * normalForSH.yzzx;x1.r = dot(custom_SHBr, vB);x1.g = dot(custom_SHBg, vB);x1.b = dot(custom_SHBb, vB);// Final (5th) quadratic (L2) polynomialhalf vC = normalForSH.x*normalForSH.x - normalForSH.y*normalForSH.y;x2 = custom_SHC.rgb * vC;float3 sh = max(float3(0.0, 0.0, 0.0), (x + x1 + x2));sh = pow(sh, 1.0 / 2.2);half3 env_color = sh;half3 final_color = env_color * ao * _Tint.rgb * _Expose;return float4(final_color,1.0);
}

unity内置实现：

half4 frag (v2f i) : SV_Target
{half3 normal_dir = normalize(i.normal_world);half3 normaldata = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap,i.uv));normaldata.xy = normaldata.xy* _NormalIntensity;half3 tangent_dir = normalize(i.tangent_world);half3 binormal_dir = normalize(i.binormal_world);normal_dir = normalize(tangent_dir * normaldata.x+ binormal_dir * normaldata.y + normal_dir * normaldata.z);half ao = tex2D(_AOMap, i.uv).r;ao = lerp(1.0,ao, _AOAdjust);half3 env_color = ShadeSH9(float4(normal_dir,1.0));half3 final_color = env_color * ao * _Tint.rgb * _Expose;return float4(final_color,1.0);
}

unity全局间接光：

lighting-environment lighting 漫反射
lighting-environment refection 镜面反射

lighting-mixed lighting-baked global illumination 烘焙多光源

8、玉石模拟

玉石光线(穿透感)+光滑质感(环境反射)

组成：漫反射+透射+环境光；

漫反射=phong漫反射＋addcolor+竖直方向AO；

透射计算：VdotB（B为L扭曲而成），结合对比度、亮度，乘以模型厚度、basecolor（光源颜色影响世界，所以独立一个光源颜色）和平行光颜色；

环境光：cubemap结合菲涅尔；

forbase:

float4 frag(v2f i) : COLOR
{//infofloat3 diffuse_color = _DiffuseColor;float3 normalDir = normalize(i.normalDir);float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.posWorld.xyz);float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//diffusefloat diff_term = max(0.0, dot(normalDir, lightDir));float3 diffuselight_color = diff_term * diffuse_color * _LightColor0.rgb;//竖直方向的AO，上亮下暗float sky_sphere = (dot(normalDir,float3(0,1,0)) + 1.0) * 0.5;float3 sky_light = sky_sphere * diffuse_color;float3 final_diffuse = diffuselight_color + sky_light * _Opacity + _AddColor.xyz;//trans lightfloat3 back_dir = -normalize(lightDir + normalDir * _BasePassDistortion);float VdotB = max(0.0, dot(viewDir, back_dir));float backlight_term = max(0.0,pow(VdotB, _BasePassPower)) * _BasePassScale;float thickness = 1.0 - tex2D(_ThicknessMap, i.uv).r;float3 backlight = backlight_term * thickness *_LightColor0.xyz * _BasePassColor.xyz;//ENVfloat3 reflectDir = reflect(-viewDir,normalDir);half theta = _EnvRotate * UNITY_PI / 180.0f;float2x2 m_rot = float2x2(cos(theta), -sin(theta), sin(theta),cos(theta));float2 v_rot = mul(m_rot, reflectDir.xz);reflectDir = half3(v_rot.x, reflectDir.y, v_rot.y);float4 cubemap_color = texCUBE(_EnvMap,reflectDir);half3 env_color = DecodeHDR(cubemap_color, _EnvMap_HDR);float fresnel = 1.0 - saturate(dot(normalDir, viewDir));fresnel = smoothstep(_FresnelMin, _FresnelMax, fresnel);float3 final_env = env_color * _EnvIntensity * fresnel;//combinefloat3 combined_color = final_diffuse + final_env + backlight;float3 final_color = combined_color;return float4(final_color,1.0);
}

forwardadd：

float4 frag(v2f i) : COLOR
{float3 diffuse_color = _DiffuseColor * _DiffuseColor;float3 normalDir = normalize(i.normalDir); float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.posWorld.xyz);float NdotV = saturate(dot(normalDir,viewDir));//light infofloat3 lightDir = normalize(lerp(_WorldSpaceLightPos0.xyz, _WorldSpaceLightPos0.xyz - i.posWorld.xyz,_WorldSpaceLightPos0.w));float attenuation = LIGHT_ATTENUATION(i);//trans lightfloat3 back_dir = -normalize(lightDir + normalDir * _AddPassDistortion);float VdotB = max(0.0,dot(viewDir, back_dir));float backlight_term = max(0.0, pow(VdotB, _AddPassPower)) * _AddPassScale;float thickness = 1.0 - tex2D(_ThicknessMap, i.uv).r;float3 backlight = backlight_term * thickness *_LightColor0.xyz * _AddPassColor.xyz;//combinefloat3 final_color = backlight;final_color = sqrt(final_color);return float4(final_color,1.0);
}

9、移动端角色渲染

分析与问题：

ue和unity的单位区别（米、厘米）；
x轴向的区别；
模型和骨骼动画的大量到处；
Mc纹理，rg通道粗糙度、金属度；
角色脚部抖动，曲线优化和压缩问题；

细节：

皮肤区域高光弱，金属区域高光强，albedo贴图的使用原理其一
皮肤区域漫反射强，金属区域漫反射弱，albedo贴图的使用原理其二
粗糙度做文章，越粗糙，光滑度越低
阴影不在间接光中计算，仅在直接光中，因为间接光的作用在于提亮暗部
皮肤正常sh，其他乘以0.5sh

疑问：

间接光的漫反射为什么要限定为0.5到1的范围内？

解答：使用了半兰伯特模型，提亮暗部

2. 153/154的操作不是很能理解，间接光都要乘以这个？

解答：shininess x smoothness ≈ a(1-a)x+a²，a为smoothness，但是还是线性关系

3. 皮肤柔光的插值操作

公式总结：

直接光漫反射：diffterm x basecolor x atten x lightcolor
直接光镜面反射：specterm x speccolor x atten x lightcolor
间接光漫反射：sh x basecolor x halflambert
间接光镜面反射：ibl x expose x speccolor x halflambert

头发渲染：kk的各向异性高光渲染

技术原理：normal实现的高光仅仅是一点，我们需要在头发的横截面都有高光

公式：T、L、V三个成关系，LV成半角关系H，求sin(T,H)；

细节：

T根据normal进行偏移，高光即可实现偏移；
噪声图扰动各向异性方向，范围由0到1缩放到-1到1；
N x noise
half_lambert/NdotL ,防止背光区域也有高光

疑问：

1. 为什么各向异性高光只亮一处？

因为sin(T,H)的夹角为90°时才为1

2. 为什么成光盘一样的扇形？

因为顺着边缘变化，中间的偏移更大，两边渐变，越远渐变范围越大；而中心范围小是因为没有偏移

细节语法：

1. 宏定义：检查器隐藏

2. 宏开关：多重编译和shader特性，增加一个，代码量两倍

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