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Unity Shader 入门精要(03) -- Unity的基础光照

程序员文章站 2022-03-30 13:50:05
...

一、什么是光照模型

光照模型就是一个公式,使用这个公式来计算在某个点的光照效果

二、标准光照模型

在标准光照模型里面,我们把进入摄像机的光分为下面四个部分
自发光:光源散发的光。
高光反射 :光源照射到模型表面时,该表面会在完全镜面反射方向散射。
Blinn光照模型:Specular=直射光 * pow( max(cosθ,0),10) θ:是反射光方向和视野方向的夹角
Blinn-Phong光照模型:Specular=直射光 * pow( max(cosθ,0),10) θ:是法线和x的夹角 x 是平行光和视野方向的平分线
漫反射:光源照射到模型表面时,该表面会想买个防线散射。
Diffuse = 直射光颜色 * max(0,cos夹角(光和法线的夹角) )
环境光:其他所有间接光照。

三、光照模型的实现

兰伯特光照模型:在光照无法到达的区域,模型外观通常是全黑的。如背面没有明暗的变化,失去模型细节变化。
Diffuse = 直射光颜色 * max(0,cos夹角(光和法线的夹角) ) cosθ = 光方向· 法线方向
半兰伯特光照模型
Diffuse = 直射光颜色 *( cosθ *0.5 +0.5 )

//兰伯特逐片元光照
Shader "Custom/Chapter 5/03_Diffuse1" {
    Properties {
        _Diffuse("Diffuse", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0) //材质的漫反射颜色
    }

    SubShader{
        Pass{

            //只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量
            Tags{ "LightMode"="ForwardBase" }

            CGPROGRAM

            #include "Lighting.cginc" //包含unity的内置的文件,才可以使用unity内置的一些变量
            #pragma vertex vert   //顶点着色器
            #pragma fragment frag //片元着色器

            //在Cg代码中,与属性名称和类型都匹配
            fixed4 _Diffuse;

            //application to vertex
            struct a2v{
                float4 vertex:POSITION; //模型顶点坐标 
                float3 normal:NORMAL; //法线 计算光照
            };

            //
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;
                float3 color:COLOR0;
            };

            v2f vert(a2v v){
                v2f f; //声明输出结构
                f.pos = UnityObjectToClipPos (v.vertex);//把顶点坐标从模型空间转换到剪裁空间

                //环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                fixed3 normalDir = normalize( mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); //法线转换到世界空间
                fixed3 lightDir = normalize( _WorldSpaceLightPos0.xyz); //对于每个顶点,取得平行光世界空间下的位置(方向).
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot( normalDir, lightDir)); //得到漫反射的颜色
                f.color = ambient + diffuse;
                return f; //传递给片元着色器
            }

            float4 frag(v2f f) : SV_Target{ 
                return fixed4(f.color, 1);
            }

            ENDCG
        }
    }

    FallBack "Diffuse"
}
//兰伯特逐像素光照
Shader "Custom/Chapter 5/03_Diffuse2" {
    Properties {
        _Diffuse("Diffuse", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
    }

    SubShader{
        Pass{

            Tags{ "LightMode"="ForwardBase" }

            CGPROGRAM

            #include "Lighting.cginc"
            #pragma vertex vert   //顶点着色器
            #pragma fragment frag //片元着色器

            //在Cg代码中,与属性名称和类型都匹配
            fixed4 _Diffuse;

            //application to vertex
            struct a2v{
                float4 vertex:POSITION; //模型顶点坐标 
                float3 normal:NORMAL; //法线 计算光照
            };

            //
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;
                float3 worldNormal:TEXCOORD0;
            };

            v2f vert(a2v v){
                v2f f; //声明输出结构
                f.pos = UnityObjectToClipPos (v.vertex);//把顶点坐标从模型空间转换到剪裁空间
                f.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject); //法线转换到世界空间

                return f; //传递给片元着色器
            }

            float4 frag(v2f f) : SV_Target{ 

                //环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                fixed3 normalDir = normalize(f.worldNormal); //法线转换到世界空间
                fixed3 lightDir = normalize( _WorldSpaceLightPos0.xyz); //对于每个顶点,取得平行光世界空间下的位置(方向).
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot( normalDir, lightDir)); //得到漫反射的颜色
                fixed3 color = ambient + diffuse;

                return fixed4(color, 1);
            }

            ENDCG
        }
    }

    FallBack "Diffuse"
}
//半兰伯特光照模型 + BlinnPhong光照模型
Shader "Custom/Chapter 6/06_Specular Fragment BlinnPhong" {
    Properties {
        _Diffuse("Diffuse", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)   //材质的漫反射颜色
        _Specular("Specular", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0) //材质的高光反射颜色
        _Gloss("Gloss", Range(2, 256)) = 20 //控制高光区域的大小
    }

    SubShader{
        Pass{

            //只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量 _LightColor0
            Tags{ "LightMode"="ForwardBase" }

            CGPROGRAM

            #include "Lighting.cginc" //包含unity的内置的文件,才可以使用unity内置的一些变量 _LightColor0
            #pragma vertex vert   //顶点着色器
            #pragma fragment frag //片元着色器

            //在Cg代码中,与属性名称和类型都匹配 (0-1)使用 fixed精度的变量存储   _Gloss的变化范围大,使用float精度存储
            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            //application to vertex
            struct a2v{
                float4 vertex:POSITION; //模型顶点坐标 
                float3 normal:NORMAL; //法线 计算光照
            };

            //
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;
                float3 worldNormal:TEXCOORD0;
                float3 worldPos:TEXCOORD1;
            };

            v2f vert(a2v v){
                v2f f; //声明输出结构
                f.pos = UnityObjectToClipPos (v.vertex);//把顶点坐标从模型空间转换到剪裁空间
                f.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject); //法线转换到世界空间
                f.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; //世界空间下的顶点坐标
                return f; //传递给片元着色器
            }

            float4 frag(v2f f) : SV_Target{ 

                //环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                fixed3 normalDir = normalize(f.worldNormal); //法线转换到世界空间
                fixed3 lightDir = normalize( _WorldSpaceLightPos0.xyz); //对于每个顶点,取得平行光世界空间下的位置(方向).
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot( normalDir, lightDir)); //得到漫反射的颜色

                //fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-lightDir, normalDir));
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - f.worldPos.xyz);
                fixed3 halfDir = normalize(normalDir + viewDir);
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot( normalDir, halfDir)), _Gloss);//得到高光反射的颜色

                fixed3 color = ambient + diffuse + specular;

                return fixed4(color, 1);
            }

            ENDCG
        }
    }

    FallBack "Diffuse"
}
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