【图形学】18 光照模型（三、镜面反射的Shader实现）

来源：《UNITY SHADER入门精要》

文章目录

1、镜面反射ShaderLab的方式
2、逐顶点的镜面反射
3、逐像素光照计算

1、镜面反射ShaderLab的方式

我们回忆之前的公式：
cspcular=(clight⋅mspecular)max⁡(0,v^⋅r)mgloss\boldsymbol{c}_{spcular}=\left( \boldsymbol{c}_{light}\cdot \boldsymbol{m}_{specular} \right) \max \left( 0, \hat{v}\,\,\cdot \,\,\boldsymbol{r} \right) ^{m_{gloss}} cspcular=(clight⋅mspecular)max(0,v^⋅r)mgloss
我们计算镜面反射需要四个参数：入射光线clight\boldsymbol{c}_{light}clight 、材质的高光反射系数mspecular\boldsymbol{m}_{specular}mspecular 、视角方向 v^\hat{v}v^ 、反射方向 r\boldsymbol{r}r 。而其中，反射方向 r\boldsymbol{r}r 又需要由表面法线 n^\hat{n}n^ 和光源方向 I\boldsymbol{I}I 计算而得。

公式不难写出，不过，CG提供了计算反射方向的函数：reflect(i, n)。其中参数：i 为入射方向；n 为法线方向。

2、逐顶点的镜面反射

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Specular Vertex-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" }

这里定义了三个 Properties ，其中，_Diffuse 用来控制漫反射的颜色系数， _Specular 用来控制高光反射的颜色， _Gloss 用来控制高光区域的大小。
这里的 LightMode 设置为 ForwardBase 定义了该 Pass 在 Unity 的光照流水线中的角色。

         CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "Lighting.cginc"fixed4 _Diffuse;fixed4 _Specular;float _Gloss;

同样，在CGPROGRAM之后，我们包含头文件"Lighting.cginc"，用 #pragma 指定顶点/片元着色器的函数。
声明 Properties 语义块中的属性：由于颜色属性的范围在0到1之间，因此对于Diffuse和Specular属性我们可以使用fixed精度的变量来存储它。而Gloss的范围很大，因此我们使用flot精度来存储。

         struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;fixed3 color : COLOR;};

定义输入和输出要使用的结构体

         v2f vert(a2v v) {v2f o;// Transform the vertex from object space to projection spaceo.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);// Get ambient termfixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;// Transform the normal from object space to world spacefixed3 worldNormal = normalize(mul((float3x3)unity_ObjectToWorld， v.normal));// Get the light direction in world spacefixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);// Compute diffuse termfixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));

前面的计算是关于漫反射的，跟之前是一致的。

             // Get the reflect direction in world spacefixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));// Get the view direction in world space，计算的是每一个顶点在世界空间的位置。fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);// Compute specular termfixed3 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"
}

这里采用的 CG 的 reflect() 函数计算了反射光线。由于参数要求传入的方向是从光源到交点处的，所以，采用的是它的反向量。
然后，我们用计算得到的反射向量，计算得到高光值，然后都相加起来，返回就好了。
最后，第21行，我们磨人的FallBack设置为内置的 Specular。

最后，我们注意到，逐顶点光照，由于线性插值的缘故，会有明细的线性效果，不够真实。所以，我们需要逐像素来出来计算。

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3、逐像素光照计算

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;

前面的代码和之前没有区别

         struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD0;float3 worldPos : TEXCOORD1;};

因为是逐像素进行计算。这里的输出皆使用纹理坐标的语义来接收。

         v2f vert(a2v v) {v2f o;// Transform the vertex from object space to projection spaceo.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);// Transform the normal from object space to world spaceo.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);// Transform the vertex from object spacet to world spaceo.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;return o;}

顶点着色器所做的事情就是计算世界空间下的法线方向和顶点坐标，并把它们传递给片元着色器。

         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 * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));// Get the reflect direction in world spacefixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));// Get the view direction in world spacefixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);// Compute specular termfixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);}ENDCG}} FallBack "Specular"
}