理论推导

在6.2.4节中，我们给出了基本光照模型中高光反射部分的计算公式
高光反射求的夹角是模型反射光线与视线的夹角，因为视线光线距离反射光线越近，光照强度越高，与漫反射不同，漫反射是求法线与光源方向的夹角，与视野方向无关，所以即使移动镜头摄像机也不会影响表面光照，而高光反射则与视野方向紧密相关，高光反射时摄像机并不能完全收反射光，只能看到部分光照反射，数值与材质光泽度有关

v表示视线方向，r表示反射光线，系数：c分别是是颜色和强度，m材质的高光反射系数，指数mglass指材质光泽度，表示高光反射后所能映入眼睛的视野范围
r向量推导（纯手写）

代码实践

Phone光照模型

逐顶点

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Specular Vertex-Level" {Properties {_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)//控制RGBA颜色_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)//控制公式中的高光反射系数（乐乐老师说这是高光反射颜色，希望有懂的解释一下）_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20//控制指数m glass}SubShader {Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Lighting.cginc"/*对应Properties语义段*/fixed4 _Diffuse;fixed4 _Specular;float _Gloss;//glass的范围比较大，取floatstruct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;fixed3 color : COLOR;};v2f vert(a2v v) {v2f o;//转移顶点到裁剪空间o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);// 得到环境光fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;// 转移法线到世界坐标系fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));// 得到世界空间的光线方向fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);// 计算漫反射项（这里如果不加漫反射项，没有受到高光反射的区域会显示成黑色，不被渲染）fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));// 得到世界空间中的反射光线（r向量）fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));// 在世界空间转到裁剪空间fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);// 计算高光反射fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);//三项相加（环境光+漫反射+高光反射）o.color = ambient + diffuse + specular;return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {return fixed4(i.color, 1.0);}ENDCG}} FallBack "Specular"
}

逐像素

我们已经得到了高光反射的效果，但是使用逐顶点高光反射得到的高光效果有比较大的问题，我们可以在图6.10中看出高光部分明显不平滑，因为片元着色器COLOR语义是返回顶点坐标，经过顶点计算的颜色是线性的，而高光反射计算是非线性的，破坏了高光反射本身的非线性关系，所以改用TEXCOORD0语义即从获得纹理颜色的方式改为输出纹理坐标的方式，坐标即像素，故称为逐像素光照

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/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 {Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Lighting.cginc"fixed4 _Diffuse;fixed4 _Specular;float _Gloss;struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD0;//定义一组坐标float3 worldPos : TEXCOORD1;//定义两组坐标};v2f vert(a2v v) {v2f o;// 将模型从模型空间转换到裁剪空间o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);// 计算法线o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);// 计算顶点坐标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 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);// 漫反射fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));// 世界空间的光源方向fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));// 世界空间的视野方向fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);// 计算高光fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);}ENDCG}} FallBack "Specular"
}

可以看出，细节上更加细腻

Blinn-Phong光照模型

既然高光反射是通过反射光线与视角来判断光照强度，那么我们是否可以通过一种折中的方法，求视角与反射光线的向量和进行计算？实际上Blinn模型就是使用的该方法，它是通过视角v与光线方向l之和归一化得到的，程序中实际上没有归一化，因此得到的光线更亮。

修改逐像素光照的frag部分的计算公式即可

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {// Get ambient termfixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);// Compute diffuse termfixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));// Get the view direction in world spacefixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);// 得到世界坐标与视野方向的向量和halfDirfixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);// 计算高光反射，其中第三参数为halfDirfixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);

可以看出实际上Blinn模型更亮，实际中一般我们会使用此模型，效果比较好。

内置函数

在unity中有许多内置函数，分别可以用于求反射光，求观察方向，用于前向渲染，法线方向转换等，大大的简化了代码的编写，但是理解原理依然十分重要。以下是书中使用内置函数的Blinn模型代码

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)'Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Blinn-Phong Use Built-in Functions" {Properties {_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)_Gloss ("Gloss", Range(1.0, 500)) = 20}SubShader {Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Lighting.cginc"fixed4 _Diffuse;fixed4 _Specular;float _Gloss;struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD0;float4 worldPos : TEXCOORD1;};v2f vert(a2v v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);// 使用内置函数求世界法线，使用该函数这样我们就不用使用mul数学函数求向量与转换矩阵之积了o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);//  使用内置函数求世界空间的光源方向// 我们需要一个变量来存储normlize()的结果fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));// 使用函数计算世界空间中的视野方向// 我们需要一个变量来存储normlize()的结果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);}ENDCG}} FallBack "Specular"
}

虽然使用函数简化了所需的计算过程，但是当需要处理更复杂的光照时，如点光源与聚光灯，该计算光源方向的方法的方法就是错误的，这需要先进行判断光源类型，再计算它的光源信息。

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