UnityShader16：点光源和聚光灯

一、点光源、聚光灯的特点

关于点光源和聚光灯的特点，可以参考下面的文章，只需要关心理论部分就ok了

点光源：https://blog.csdn.net/Jaihk662/article/details/106722949
聚光灯：https://blog.csdn.net/Jaihk662/article/details/106770741
Unity中的前向渲染：https://blog.csdn.net/Jaihk662/article/details/112055588

还是需要提前了解下的

二、在UnityShader中实现点光和聚光

代码在前向渲染这一章中就有，主要还是关于衰减的计算：

#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHTfixed atten = 1.0;
#else#if defined (POINT)//unity_WorldToLight在AutoLight.cginc文件中的特定宏下被定义，可以用于把点从世界空间变换到该光源的局部空间下float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.wPos, 1)).xyz;//UNITY_ATTEN_CHANNEL是衰减值所在的纹理通道，可以在内置的HLSLSupport.cginc文件中查看，一般PC和主机平台的话UNITY_ATTEN_CHANNEL是r通道，移动平台的话是a通道fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;#elif defined (SPOT)float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.wPos, 1));//若不在聚光灯的照射方向，就当然没有光照fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;//对于聚光灯，_LightTexture0存储的不再是基于距离的衰减纹理，而是一张基于张角范围的衰减纹理atten *= tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w;#elsefixed atten = 1.0;#endif
#endif

可以看出 Unity 中使用一张纹理作为查找表在片元着色器中计算逐光照的衰减，这样就可以避免数学计算的复杂度，但是不是特别直观，并且数据大多数是要预处理定死的

三、光的衰减

对于点光源，需要考虑距离衰减，而对于聚光灯，不但需要考虑距离衰减，还需要考虑张角衰减

1)：距离衰减与距离衰减纹理：

前一章提到过，在点光源的情况下，基于到点光源中心距离的衰减纹理被存储在了 _LightTexture0 中，而在聚光灯的情况下，这张纹理被存储在了 _LightTextureB0 中

一般来讲，只需要考虑其对角线上的纹理颜色值就可以了，所以采样时 uv 坐标相同，也可以将衰减纹理理解为是一个一维纹理

2)：投影纹理(cookie)：

什么是 cookie 纹理，下面的例子一看就明白，这是一个“窗口”的投影纹理和它的应用

计算张角衰减时，需要用到它

3)：关于张角衰减的计算

聚光灯是有一个发射方向的，当前片段到光源的方向与发射方向夹角越大光照就越弱，Unity 中，这个发射方向就是光源坐标系的 z 轴：

在上面的 shader 中，计算角度衰减的代码是这一句：

atten *= tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w;

根据 Unity 源码，我们可以得到的 _LightTexture0 的值为： $\frac{(x, y, z,\frac{2z}{\cot{c}} )}{scale}$

其中 $scale$ 为缩放， $\boldsymbol{c}$ 为聚光灯切光角（半张角），可以参考下图（图中的 $c$ 其实是 $\cot{c}$ ）

这样的话，lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5 值就为 $(\frac{x{\cot{c}}}{2z} + \frac{1}{2}, \frac{y{\cot{c}}}{2z}+ \frac{1}{2})$

这个公式就很有意思了，可以看出这又是 /2 + 1/2 的经典操作，也就是将原先 [-1, 1] 范围内置的值映射到 [0, 1] 范围内，而这也正是纹理坐标的范围

而对于去掉映射计算后的值 $(\frac{x{\cot{c}}}{z}, \frac{y{\cot{c}}}{z})$ 正是当前片段到光源的 tan 值除以切光角 tan 值的结果，当这个值为 -1 或 1 时，说明当前片段刚好在投影范围的边界上，如果当前值为0，说明当前片段正对照射中心，若是超过了 [-1, 1] 的范围当然不受光照

那么拿到了这个被归入 [0, 1] 范围内的值后就可以从 cookie 中采样了，对应的 cookie 贴图如下：

一目了然