shader篇-高光反射模型

shader篇-高光反射模型
背景
逐顶点光照
逐像素光照
Blinn-Phong光照模型

背景

这里的高光反射模型，并不是现实意义上的高光反射，而是只是用来计算物理上那些沿着完全镜面反射方向被反射的光线，让物体看起来有光泽，例如金属材质
高光反射计算公式如下

Cdiffuse=(Clight∗Mdiffuse)∗max(0,v⃗ ∗r⃗ )Mgloss

C_{diffuse}=(C_{light}*M_{diffuse})*max(0,\vec{v}*\vec{r})^{M_{gloss}}
v是视角方向，r是反射方向

Mgloss

M_{gloss}是高光反射系数
反射方向可用表面法线n和光照方向l计算

r⃗ =l⃗ −2∗(n⃗ ∗l⃗ )∗n⃗

\vec{r}=\vec{l}-2*(\vec{n}*\vec{l})*\vec{n}

逐顶点光照

Shader "Test Shader/SpecularVertexLevel{
Properties
{_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)//控制高光反射颜色_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)//控制高光区域大小_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{//模型空间的顶点坐标float4 vertex:POSITION;//模型空间的法线方向float3 normal:NORMAL;};struct v2f{//输出的是裁剪空间的顶点坐标float4 pos:SV_POSITION;float3 color:COLOR;};v2f vert(a2v v){v2f o;//利用unity内置的模型-观察-投影矩阵将顶点坐标转换到裁剪空间o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//通过内置变量获取环境光fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;//法线转换到世界坐标//unity_WorldToObject为模型空间到世界空间的变换矩阵的逆矩阵fixed3 worldNormal=normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject));//获取光源方向fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//利用漫反射光照公式计算漫反射fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*max(0,dot(worldNormal,worldLight));//利用Cg内置反射光线方向计算函数计算反射光线fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLight, worldNormal));//mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex)将顶点坐标转换为世界坐标//视角方向=摄像头位置-顶点位置fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);//根据公式计算高光反射fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);o.color=ambient+diffuse+specular;return o;}fixed4 frag(v2f i):SV_Target{return fixed4(i.color,1.0);}ENDCG}
}
FallBack "Specular"}

这里高光部分明显不平滑，这是因为高光反射的计算是非线性的，而在顶点着色器中计算光照再进行差值的过程是线性的，破坏了原有的视觉问题

逐像素光照

 Shader "Test Shader/SpecularPixelLevel"{
Properties
{_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)//控制高光反射颜色_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)//控制高光区域大小_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{//模型空间的顶点坐标float4 vertex:POSITION;//模型空间的法线方向float3 normal:NORMAL;};struct v2f{//输出的是裁剪空间的顶点坐标float4 pos:SV_POSITION;float3 worldNormal:TEXCOORD0;float3 worldPos:TEXCOORD1; };v2f vert(a2v v){v2f o;//利用unity内置的模型-观察-投影矩阵将顶点坐标转换到裁剪空间o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//法线转换到世界坐标//unity_WorldToObject为模型空间到世界空间的变换矩阵的逆矩阵o.worldNormal=normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject));o.worldPos=mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;return o;}fixed4 frag(v2f i):SV_Target{//通过内置变量获取环境光fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;fixed3 worldNormal=normalize(i.worldNormal);//获取光源方向fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//利用漫反射光照公式计算漫反射fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*max(0,dot(worldNormal,worldLight));//利用Cg内置反射光线方向计算函数计算反射光线fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLight, worldNormal));//mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex)将顶点坐标转换为世界坐标//视角方向=摄像头位置-顶点位置fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);//根据公式计算高光反射fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);}ENDCG}
}
FallBack "Specular"}

这样的光照反射模型更平滑，而这一光照模型就是著名的phong光照模型

Blinn-Phong光照模型

blinn模型没有使用反射方向。而是引入了矢量h

h⃗ =(v⃗ +l⃗ )|v⃗ +l⃗ |

\vec{h}=\frac{(\vec{v}+\vec{l})}{|\vec{v}+\vec{l}|}
blinn模型光照公式如下

Cdiffuse=(Clight∗Mdiffuse)∗max(0,n⃗ ∗h⃗ )Mgloss

C_{diffuse}=(C_{light}*M_{diffuse})*max(0,\vec{n}*\vec{h})^{M_{gloss}}

Shader "Test Shader/BlinnPhone"{
Properties
{_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)//控制高光反射颜色_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)//控制高光区域大小_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{//模型空间的顶点坐标float4 vertex:POSITION;//模型空间的法线方向float3 normal:NORMAL;};struct v2f{//输出的是裁剪空间的顶点坐标float4 pos:SV_POSITION;float3 worldNormal:TEXCOORD0;float3 worldPos:TEXCOORD1; };v2f vert(a2v v){v2f o;//利用unity内置的模型-观察-投影矩阵将顶点坐标转换到裁剪空间o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//法线转换到世界坐标//unity_WorldToObject为模型空间到世界空间的变换矩阵的逆矩阵o.worldNormal=normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject));o.worldPos=mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;return o;}fixed4 frag(v2f i):SV_Target{//通过内置变量获取环境光fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;fixed3 worldNormal=normalize(i.worldNormal);//获取光源方向fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//利用漫反射光照公式计算漫反射fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*max(0,dot(worldNormal,worldLight));//mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex)将顶点坐标转换为世界坐标//视角方向=摄像头位置-顶点位置fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);//计算矢量hfixed3 h=normalize(worldLight+viewDir);//根据公式计算高光反射fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(worldNormal, h)), _Gloss);return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);}ENDCG}
}
FallBack "Specular"}

这样的高光反射模型反射部分更大更亮些，大多数情况下，我们都会选择这一高光反射模型
最后结果如下

从右到左分别是逐顶点光照，逐像素光照phong模型，blinn模型

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