第五章 Unity中的基礎光照（3）
目錄
- 1. 在Unity Shader中實現高光反射光照模型
- 1.1 實踐：逐頂點光照
- 1.2 逐像素光照
- 1.3 Blinn-Phong光照模型
- 2. 召喚神龍：使用Unity內置的函數
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1. 在Unity Shader中實現高光反射光照模型
在前面，我們給出了基本光照模型中高光反射部分的計算公式：
從公式可以看出，要計算高光反射需要知道4個參數：入射光線的顏色和強度Clight，材質的高光反射系數mspecular，視角方向v以及反射方向r。其中反射反射方向r可以由表面法線n和光源方向l計算而得：
上述公式很簡單，更幸運的是，Cg提供了計算反射方向的函數reflect。
函數：reflect（i，n）
參數：i，入射方向；n，法線方向。可以是float、float2、float3等類型。
描述：當給定入射方向i和法線方向n時，reflect函數可以返回反射方向。下圖給出了參數和返回值之間的關系。
1.1 實踐：逐頂點光照
我們首先來看如何實現一個逐頂點的高光反射光效果，在學習完本節後，我們會得到類似下圖的效果。
（1）為了在材質面板中能夠方便的控制高光反射屬性，我們在Shader的Properties語義塊中聲明了3個屬性：
Properties{ _Diffuse（"Diffuse",Color）= (1,1,1,1) _Specular("Specular",color)=(1,1,1,1) _Gloss("Gloss",Range(8.0,256))=20 }
其中，新添加的_Specular用於控制材質的高光反射顏色，而_Gloss用於控制高光區域的大小。
（2）然後，我們在SubShader語義塊中定義了一個Pass語義塊，這是因為頂點/片元著色器的代碼需要寫在Pass語義塊，而非SubShader語義塊。而且，我們在Pass的第一行指明了該Pass的光照模式：
SubShader{
Pass{
Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
}
}LightMode標簽是Pass標簽的一種，它用於定義該Pass在Unity的光照流水線周明華的角色，在後面我們會更加詳細的解釋它。在這裏我們只需要知道，只有定義了正確的LightMode，我們才能得到一些Unity的內置光照變量，例如_LightColor0。
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
（4）為了使用Unity內置的一些變量，如_LightColor0,還需要包含進Unity的內置文件Lighting.cginc:
#include "Lighting.cginc"（5）為了在Shader中使用Properties語義塊中聲明的屬性，我們需要定義和這些屬性類型相匹配的變量：
fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;由於顏色屬性的範圍在0到1之間，因此對於_Diffuse和_Specular屬性我們可以使用fixed精度的變量來存儲它。而_Gloss的範圍很大，因此我們使用float精度來存儲。
（6）然後，我們定義了頂點著色器的輸入和輸出結構體（輸出結構體同時也是片元著色器的輸入結構體）：
struct a2v{
float4 vertex：POSITION；
float3 normal：NORMAL；
}；
struct v2f{
float4 pos:SV_POSITION;
fixed3 color:COLOR;
};（7）在頂點著色器中，我們計算了包含高光反射的光照模型
v2f vert（a2v v）{
v2f o；
//Transform the vertex from object space to projection space
o.pos = mul（UNITY_MATRIX_MVP，v.vertex）；
//Get ambient term
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
//Transform the normal from object space to world space
fixed3 worldNormal = normalize（mul（v.normal,（float3）_World2Object））;
//Get the light direction in world space
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos.xyz);
//Compute diffuse term
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb*__Diffuse.rgb*saturate(dot(worrldNormal,worldLightDir));
//Get the reflect direction in world space
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir,worldNormal));
//Get the view direction in world space
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz-mul(_Object2World,v.vertex).xyz);
//Compute specular term
fixed3 specular = _LightColor0.rgb*_Sprecular.rgb*pow(saturate(dot(reflectDir,viewDir)),_Gloss)
o.color = ambient+diffuse+specular;
return o;
}對於高光反射部分，我們首先計算了入射光線方向關於表面法線的反射方向reflectDir。由於Cg的reflect函數的入射方向要求是由光源指向焦點處的，因此我們需要對_worldLightDir去反後再傳給reflect函數。然後我們通過_WorldSpaceCameraPos得到了世界空間中的攝像機的位置，再把頂點位置從模型空間變換到世界空間下，再通過和_WorldSpaceCameraPos相減即可得到世界空間下的視角方向。
由此，我們已經得到了所有的4個參數，代入公式即可得到高光反射的光照部分。最後，再和環境光、漫反射光相加存儲到最後的顏色中。
（8）片元著色器的代碼非常簡單，我們只需要直接返回頂點顏色即可：
fixed4 frag（v2f i）：SV_Target{
return fixed4（i.color，1.0）；
}（9）最後，我們需要把這個Unity Shader的回調Shader設置為內置的Specular：
Fallback"Specular"使用逐頂點的方法得到的高光效果有比較大問題，我們可以在上圖中看出高光部分明顯不平滑。這主要是因為，高光反射部分的計算是非線性的，而在頂點著色器中計算光照再進行插值的過程是線性的，破壞了原計算的非線性關系，就會出現較大的視覺問題。因此，我們就需要使用逐像素的方法來計算高光反射。
1.2 逐像素光照
我們可以使用逐像素光照來得到更加平滑的高光效果，如圖所示：
（1）修改頂點著色器的輸出結構v2f：
struct v2f{
float4 pos：SV_POSITION；
float3 worldNormal：TEXCOORD0；
float3 worldPos：TEXCOORD1；
}（2）頂點著色器只需要計算世界空間下的法線方向和頂點坐標，並把它們傳遞給片元著色器即可：
v2f vert（a2v v）{
v2f o；
// Transform the vertex from object space to projection space
o.pos=mul(UNITY_MATRIX_MVP，v.vertex)；
//Transform the normal fram object space to world space
o.worldnormal = mul（v.normal，（float3×3）_world2Object）;
//Transform the vertex from object space to world space
o.worldPos = mul(_Object2Word，v.vertex).xyz;
return 0;
}（3）片元著色器需要計算關鍵的光照模型：
fixed4 frag（v2f i）：SV_Target{
//Get ambient term
fixed3 ambient：UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal=normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize（_WorldSpaceLightPos0.xyz）;
//Compute diffuse term
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*saturate(dot(worldNormal,worldLightDir));
//Get the reflect direction in world space
fixed3 reflectDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz-i.worldPos.xyz);
//Compute specular term
fixed3 specular = _LightColor0.rgb*_Specular.rgb*pow(saturate(dot(reflectDir,viewDir))，_Gloss);
return fixed4(ambient+diffuse+specular+1.0)；
}可以看出，按逐像素的方式處理光照可以得到更加平滑的高光效果。至此我們就實現了一個完整的Phong光照模型。
1.3 Blinn-Phong光照模型
在前面我們還提出了另一種高光反射的方法——Blinn光照模型。Blinn光照模型沒有使用反射方向，而是引入了一個新的矢量h，它是通過對視角方向v和光照方向l相加後再歸一化得到的。即：
而Blinn模型計算高光反射的公式如下：
修改後的代碼如下：
fixed4 frag（v2f i）：SV_Target{
...
//Get the view direction in world space
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz-i.worldPos.xyz)
//Get the half direction in world space
fixed3 halfDir = normalize（worldLightDir+vieDir）；
//Compute specular term
fixed3 specular = _LightColor0.rgb*_Specular.rgb*pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)),_Gloss);
return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);
}下圖給出了逐頂點的高光反射效果，逐像素的高光反射效果（Phong模型）和Blinn-Phong高光反射光照的對比效果。
可以看出，Blinn-Phong光照模型的高光反射部分看起來更大、更亮一些。在實際渲染中，絕大多數情況我們都會選擇Blinn-Phong光照模型。需要再次提醒的是，這兩種光照模型都是經驗模型，也就是說我們不應該認為Blinn-Phong模型是對“正確的”Phong模型的近似。實際上，在一些情況下，Blinn-Phong模型更符合實驗結果。
2. 召喚神龍：使用Unity內置的函數
讀者可以發現，計算光照模型的時候，我們往往需要得到光源方向、視角方向這兩個基本信息。在上面的例子中，我們都是自行在代碼裏面計算的，例如使用normalize（_WorldSpaceLightPos0.xyz）來得到光源方向（這種方法只適用於平行光），使用normalize（_WorldSpaceCameraPos.xyz-i.worldPosition.xyz）來得到視角方向。但如果要處理更復雜的光照類型，如點光源和聚光燈，我們計算光源的方法就是錯誤的。這需要我們在代碼中先判斷光源類型，在計算它的光源信息。具體方法會在後面講到。
手動計算這些光源信息的過程相對比較麻煩（但並不意味著你不需要了解它們的原理）。幸運的是，Unity提供了一些內置函數幫我們計算這些信息。下表給出了計算光照模型時，我們常常使用的一些內置函數。
註意，類似Unityxxx的幾個函數是Unity5中新添加的內置函數。這些幫助函數使得我們不需要跟各種變換矩陣、內置變量打交道，也不需要考慮各種不同的情況（例如使用了哪種光源），而僅僅調用一個函數就可以得到需要的信息。上面的9個幫助函數中，有五個我們已掌握了其內部實現，例如WorldSpaceViewDir函數實現如下：
//Compute world space view direction ，from object space position
inline float3 UnityWorldSpaceViewDir（in float3 worldPos）
{
return _WorldSpaceCamearPos.xyz-worldpos；
}可以看出，這與之前計算視角的方向一致。需要註意的是，這些函數都沒有保證得到的方向矢量是單位矢量，因此，我們需要在使用前把它們歸一化。
而計算光源方向的3個函數：WorldSpaceLightDir、UnityWorldSpaceLightDir和ObjSpaceLightDir，稍微復雜一些，這是因為Unity幫我們處理了不同種類光源的情況。需要註意的是，這三個函數僅可用於前向渲染（關於什麽是前向渲染我們後面會講到）。這是因為只有在前向渲染時，這三個函數裏使用的內置變量_WorldSpaceLightPos0才會被正確賦值。關於哪些內置變量只會在前向渲染中被正確賦值，我們後面會說到。
下面介紹使用內置函數改寫UnityShader。我們將使用這些內置函數來改寫Blinn-Phong光照模型的UnityShader。
（1）在頂點著色器中，我們使用內置的UnityObjectToWorldNormal函數來計算世界空間下的法線方向：
v2f vert（a2v v）{
v2f o；
...
//Use the bulid-in function to compute the normal in world space
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal（v.normal);
...
return o;
}（2）在片元著色器中，我們使用內置的UnityWorldSpaceLightDir函數和UnityWorldSpaceViewDir函數來分別計算世界空間的光照方向和視角方向：
fixed4 frag（v2f i）：SV_Target{
...
fixed3 worldNormal = normalize（i.worldNormal）；
//Use the build-in function tocompute the light direction in world space
// Rember to normalize the result
fixed3 worldLightDir = normalize（UnityWorldSpaceLightDir（i.worldPos））;
...
//Use the build-in function tocompute the light direction in world space
// Rember to normalize the result
fixed3 viewDir = normalize（UnityWorldSpaceViewDir（i.worldPos））；
}需要註意的是，由於內置函數得到的方向是沒有歸一化的，因此我們需要使用normalize函數來對結果進行歸一化，再進行光照模型的計算。
第五章 Unity中的基礎光照（3）