Shader光照模型-高光反射

参考 《unity shader 入门精要》

之前学过了，这几天回顾发现忘了一干二净，现在整理出来

高光反射光照模型分为Phong模型和Blinn-Phong模型，而光照实现方式又分为逐像素光照和逐顶点光照

Phong和Blinn-Phong是计算镜面反射光的两种光照模型，两者仅仅有很小的不同之处。

0X01 Phong光照模型(高光反射)

Phong模型公式：

Phone模型计算中的一个关键步骤就是反射向量R的计算：

上图中的位于表面“下面”的向量 ‘I’ 是原始 ‘I’ 向量的拷贝，并且二者是一样的，现在我们的目标计算出向量 ‘R’ 。根据向量相加原则，向量 ‘R’ 等于 'I' + 'V'，‘I’ 是已知的，所以我们需要做的就是找出向量 ‘V’。注意法向量 ‘N’ 的负方向就是 ‘-N’，我们可以在 ‘I’ 和 ‘-N’ 之间使用一个点乘运算就能得到 ‘I’ 在 ‘-N’ 上面的投影的模。这个模正好是 ‘V’ 的模的一半，由于 ‘V’ 与 ‘N’ 有相同的方向，我们可以将这个模乘上 ‘N’ （其模为 1 ）再乘上 2 即可得到 ‘V’。总结一下就是下面的公式：

根据公式实现自己的myReflect函数，和unity shader自带的reflect一样

            //反射
            float3 myReflect(float3 I,float3 normal)
            {
                //return  I - 2*normal*dot(normal,I);           
                return  I - 2*normal*mul(I,float3x1( normal.x,normal.y,normal.z));
            }

关键代码：

                fixed3 reflectDir = normalize(myReflect(-worldLightDir, worldNormal));

                // Get the view direction in world space
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);

                // Compute specular term
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

unity shader实现：

逐顶点光照(Phong高光模型)

//Phong 高光光照模型  逐顶点

Shader "Book/06.SpecularPhongVert" {
    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;

            struct a2v {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f {
                float4 pos : SV_POSITION;
                fixed3 color : COLOR;
            };

            //反射
            float3 myReflect(float3 I,float3 normal)
            {
                //return  I - 2*normal*dot(normal,I);           
                return  I - 2*normal*mul(I,float3x1( normal.x,normal.y,normal.z));
            }

            v2f vert(a2v v) {
                v2f o;
                // Transform the vertex from object space to projection space
                o.pos = UnityObjectToClipPos(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, (float3x3)unity_WorldToObject));
                // Get the light direction in world space
                fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                // Compute diffuse term
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0,dot(worldNormal, worldLightDir));

                // Get the reflect direction in world space
                //fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
                fixed3 reflectDir = normalize(myReflect(-worldLightDir, worldNormal));

                // Get the view direction in world space
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);

                // Compute specular term
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,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"
}

逐像素光照(Phong高光模型)

//Phong 高光光照模型  逐像素

Shader "Book/06.SpecularPhongPixel" {
    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;

            struct a2v {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

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

            //反射
            float3 myReflect(float3 I,float3 normal)
            {
                //return  I - 2*normal*dot(normal,I);           
                return  I - 2*normal*mul(I,float3x1( normal.x,normal.y,normal.z));
            }

            v2f vert(a2v v) {
                v2f o;
                // Transform the vertex from object space to projection space
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                // Transform the normal from object space to world space
                o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
                // Transform the vertex from object spacet to world space
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

                return o;
            }

            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 * max(0,dot(worldNormal, worldLightDir));

                // Get the reflect direction in world space
                //fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
                fixed3 reflectDir = normalize(myReflect(-worldLightDir, worldNormal));

                // Get the view direction in world space
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
                // Compute specular term
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

                return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
            }

            ENDCG
        }
    } 
    FallBack "Specular"
}

0X02 Blinn-Phong光照模型(高光反射)

Blinn-Phong模型公式：

Phong模型中计算反射光线的向量是一件相对比较耗时的任务，因此Blinn-Phong对这一点进行了改进。

Ks：物体对于反射光线的衰减系数

N：表面法向量

H：光入射方向L和视点方向V的中间向量

Shininess：高光系数

可见，通过该式计算镜面反射光是符合基本规律的，当视点方向和反射光线方向一致时，计算得到的H与N平行，dot(N,H)取得最大；当视点方向V偏离反射方向时，H也偏离N。

同时H的计算比起反射向量R的计算简单的多，R向量的计算需要若干次的向量乘法与加法，而H的计算仅仅需要一次加法。 关键代码：

                fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
                // Compute specular term
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);

unity shader基本实现：

//Blinn-Phong 高光光照模型

Shader "Book/06.SpecularBlinnPhong" {
    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;

            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;
                // Transform the vertex from object space to projection space
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                // Transform the normal from object space to world space
                o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);

                // Transform the vertex from object spacet to world space
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

                return o;
            }

            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 * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));

                // 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 + viewDir);
                // Compute specular term
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);

                return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
            }

            ENDCG
        }
    } 
    FallBack "Specular"
}

所有效果：左边Phong逐顶点光照，中间Phong逐像素光照，右边Blinn-Phong光照

关于法线从模型空间转换到世界空间o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);后面补充为什么这么计算

参考文章： Phong和Blinn-Phong光照模型