【Shader】基于图像的光照(Image Based Lighting，IBL)

一、立方体贴图（CubeMap）

CubeMap是什么？

CubeMap是一个由六个独立的正方形纹理组成的集合，它将多个纹理组合起来映射到一个单一纹理，通常被用来作为具有反射属性物体的反射源。

CubeMap如何实现？→ 采样反射向量与立方体的交点

//Shader实现对CubeMap采样
samplerCUBE _CubeMap;
float4 _CubeMap_HDR;fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{half3 view_Dir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.pos_WS);half3 normal_Dir = normalize(i.normal);half3 reflect_Dir = reflect(-view_Dir, normal_Dir);half4 color_CubeMap = texCUBE(_CubeMap, reflect_Dir);half3 env_color = DecodeHDR(color_CubeMap, _CubeMap_HDR);return float4(env_color, 1.0);
}

如何实现CubeMap旋转？ → 对反射向量进行旋转

若想要实现将CubeMap在z平面旋转，只需实现将反射向量沿y轴旋转，即反射向量在xz平面沿原点旋转。

二维旋转矩阵如下：

float3 RotateAroundY(float3 reflect_Dir, float degree)
{//角度转弧度float rad = degree * UNITY_PI / 180;float2x2 rotateY_matrix = float2x2 (cos(rad), -sin(rad),sin(rad),  cos(rad));float2 rotate_tempVector = mul(rotateY_matrix, reflect_Dir.xz);float3 rotate_reflect_Dir = float3(rotate_tempVector.x, reflect_Dir.y, rotate_tempVector.y);return rotate_reflect_Dir;
}

或直接利用三维旋转矩阵：

float3 RotateAroundY(float3 reflect_Dir, float degree)
{//角度转弧度float rad = degree * UNITY_PI / 180;float3x3 rotateY_matrix = float3x3 ( cos(rad), 0, sin(rad),0, 1,        0,-sin(rad), 0, cos(rad));float3 rotate_reflect_Dir = mul(rotateY_matrix, reflect_Dir);return rotate_reflect_Dir;
}

二、反射探针（Reflection Probe）

如何在Shader中使用反射探针生成的环境贴图？

//Unity提供的内置宏
half4 env_color = UNITY_SAMPLE_TEXCUBE(unity_SpecCube0, reflect_Dir);
half3 env_hdr_color = DecodeHDR(env_color, unity_SpecCube0_HDR);

三、粗糙度（Roughness）

将纹理设置中的Convolution Type改为Specular实现间接光镜面反射，改为Diuffuse则实现间接光漫反射，利用MipMap层级来实现粗糙度的控制。

//采样粗糙度贴图
half roughness = tex2D(_RoughnessMap, i.uv);
roughness = lerp(_RoughnessMin, _RoughnessMax, roughness);
//对粗糙度的值构造缓动曲线
roughness = roughness * (1.7 - 0.7 * roughness);
//n为MipMap层数，PBR中n往往为6
half mip_Level = roughness * n;//间接光镜面反射 → 对反射向量进行采样
half4 color_CubeMap = texCUBElod(_CubeMap, float4(reflect_Dir, mip_Level));//间接光漫反射 → 对法线方向进行采样
half4 color_CubeMap = texCUBElod(_CubeMap, float4(normal_Dir, mip_Level));

四、球谐光照（Spherical Harmonic Lighting）

球谐光照是一种光照算法，这种算法的内核是定义在球面上的特殊函数，它可以对光照进行捕捉（capture）并在之后进行重新光照（relight）并且可以实时展示全局光照（global illumination）风格的区域光源（area light）与软阴影（soft shadow）。

就使用来说，球谐光照作为光照探针的技术基础，比CubeMap的Diffuse要省性能。

//球谐光照要写在ForwardBase这个Pass里
Pass
{Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{//获取Unity内置传递的球谐光照half3 env_color = ShadeSH9(float4(normal_Dir, 1.0));}}

Frame Debug里可以看到Unity传递的球谐系数：

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