【图形学】30 前向渲染多光照场景代码理解

来源：《UNITY SHADER入门精要》

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1、代码理解

1、代码理解

我们现在要注意光源的 5 个属性：位置、方向、颜色、强度、衰减。
在理解代码之前，我们依然需要熟悉我们的理论，主要我们要设置两个 Pass，注意它们的不同的特性，和要做的事情。

注意，据书中所说，注意两个 Pass 中的 #pragma multi_complie_fwdbase 命令和 #pragma multi_complie_fwdadd 命令，在官方文档中没有说明，但是，实验表明，只有使用了这两个编译指令，我们才可以在相关的 Pass 访问到光照变量、、光照衰减值等等的变量。

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 9/Forward Rendering" {Properties {_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" }Pass {// Pass for ambient light & first pixel light (directional light)Tags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM// Apparently need to add this declaration #pragma multi_compile_fwdbase

第 17 句，我们使用了 #pragma 编译命令。#pragma multicomplie_fwdbase 确保我们在 Shader 中使用光照衰减等光照变量可以被正确赋值。这个 Pass 我们称之为 BasePass，正如我们之前概念里提到的那样。

         #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;float3 worldPos : TEXCOORD1;};v2f vert(a2v v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);fixed atten = 1.0;return fixed4(ambient + (diffuse + specular) * atten, 1.0);}ENDCG}

所有的工作都在片元着色器中完成，顶点着色器只是在做了最简单的坐标转换而已。我们这里依然使用了 _LightColor0 来获取光源的强度和 _WorldSpaceLightPos0 来获取场景中的位置。平行光的强度不会衰减，所以，我们这里 atten 赋值为1。
如果一个场景中包含了多个平行光，Unity 会选择最亮的平行光传递给 Base Pass 进行逐像素处理，其他的平行光会按照逐顶点活在 Additional Pass 中按照住像素的方式处理。

     Pass {// Pass for other pixel lightsTags { "LightMode"="ForwardAdd" }Blend One OneCGPROGRAM// Apparently need to add this declaration#pragma multi_compile_fwdadd

我们第二个 Pass ，按照理论知识，第 3 行，我们定义为 Addtional Pass，为此，我们首先需要设置 Pass 的渲染路径标签："LightMode" = "ForwardAdd"。
第 5 行，我们使用 Blend One One 命令来对结果进行混合，而亲测，选择更容易理解的 Blend SrcAlpha DstAlpha 也能得到正确的效果。
第10 行，我们还要给给出宏指令 #prgma multi_complie_fwdadd 指令，这样才能保证我们在 Addtional Pass 中获得正确的光照变量。

         #pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Lighting.cginc"#include "AutoLight.cginc"fixed4 _Diffuse;fixed4 _Specular;float _Gloss;struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD0;float3 worldPos : TEXCOORD1;};v2f vert(a2v v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;return o;}

同样，顶点着色器做的事情几乎就是常规的操作。

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHTfixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);#elsefixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPos.xyz);#endiffixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);#ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHTfixed atten = 1.0;#else#if defined (POINT)float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1)).xyz;fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;#elif defined (SPOT)float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1));fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w * tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;#elsefixed atten = 1.0;#endif#endifreturn fixed4((diffuse + specular) * atten, 1.0);
}           ENDCG}}FallBack "Specular"
}

代码中共分为两个部分，第一个部分，第 3-13 行，我们进行第一个部分的处理：
首先，我们仍然使用 _LightColor0 来得到光源的颜色和强度。我们使用宏定义 #ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT 来确定当前是否是平行光。因为，如果 Pass 处理的光源是萍乡光，那么 Unity 底层就会定义 USING_DIRECTIONAL_LIGHT。如果是平行光，那么可以直接使用 _WorldSpaceLightPos0.xyz 得到光源方向。如果是点光源或者聚光灯的话，那么 _WorldSpaceLightPos0.xyz表示的是世界空间下光源的位置。

第二个部分，第 15-27 行，我们处理不同光源的衰减，如果是平行光的话，那 atten = 1 那就不衰减。如果是点光源或聚光灯，处理更加复杂，本来会涉及大量的开根号、除法等运算，但是为了节省效率，Unity 选择了使用一张纹理作为查找表（Lookup Table, LUT），对这个表取样，以获得光源的衰减值。

例子中的场景有 5 个光源，其中 1 个是平行光，其他 4 个都是点光源。平行光会按照 Base Pass 逐像素的方式处理，其他四个点光源都会按照 Addtional Pass 中逐像素的方式处理，每一个光源都会调用一次 Additional Pass。
但是如果我们手动把场景中的所有光源设置为 Not Important 那么，因为没有在 Bass Pass 中计算逐顶点和 SH光源，因此场景中的 4 个点光源实际上不会对物体造成任何影响。