unity中光照模型和光照计算

光源类型

  • 方向光:Directional
  • 点光源:Point
  • 聚光灯:Spot

光照模型

每一种类型的光源都可能同时会有以下光照模型:
- Diffuse:漫反射
- Specular:镜面反射

光照衰减

  • 方向光:没有衰减
  • 点光源
    • 距离衰减:光源有光照范围[near,far],在near距离内的光照系数为1,在far距离外的光照系数为0,在该两者之间的顶点会随距离进行衰减,光照强度与距离的平方成反比。Unity中的计算方式为:DisAtten = 1/(1 +atten*atten * dis * dis),其中atten是衰减系数,dis是到光源的距离
  • 聚光灯
    • 距离衰减:与点光源一样
    • 聚光衰减:除了距离衰减,聚光灯还有圆锥内的衰减。聚光灯的光照区域是个圆锥体,该圆锥体有外锥角A和內锥角B,在內锥角内的顶点无聚光衰减,在外锥角外的点无光照效果,光照系数。在内外锥角之间的顶点会进行衰减。假设顶点与光照方向的夹角为C。则其聚光衰减系数为:Spot = (cos(C/2) - cos(A/2)) / (cos(B/2) - cos(A/2))
    • 最终的衰减系数为:FinalAtten = DisAtten * SpotAtten。

光照计算

最终光照结果是所有光照成分的总和 = 环境光 + 自发光+ sum(漫反射)+sum(镜面反射)。

  • 环境光:AmbitentColor * AmbientMaterial * AmbientIntensity
  • 自发光:EmissionColor * EmissionIntensity
  • 漫反射:LightColor * DiffuseMaterial * DiffuseIntensity * dot(N,L) 。N是法线方向,L是指向光源的方向向量。以下方式计算法线N和L的点积(即夹角余弦)
  • 镜面反射:LightColor * SpecularMaterial * SpecularIntensity * pow(dot(R,V),shininess),其中R是反射光的方向,V是顶点到眼睛的方向。
  • 强度intensity默认都是1。SpecularMaterial默认都是1。
  • 计算函数
@ lightPostion:平行光(-direction,0)    点光源和聚光灯(position,1)
@ lightColor:灯光颜色
@ eyePos:顶点在相机空间的坐标
@ eyeyNormal:顶点在相机空间的法线
@ viewDir:顶点到相机的方向
@ diffuseMaterial:漫反射材质系数
@ specularMaterial:镜面反射材质系数,unity中不设置,默认为1
@ shininess:镜面反射高亮度,[0,1]
@ atten:反射增强系数
@ specColor:镜面反射结果
@ return:漫反射结果
half computeLighting(float4 lightPostion,half3 lightColor,
                float3 eyePos,half3 eyeNormal,half3 viewDir,
                half3 diffuseMaterial,half3 specularMaterial,half shininess,
                half atten,inout half3 specColor)
{

    float3 dirToLight = lightPostion //光照方向的反向
    if(lightPostion.w == 1)
    {
        dirToLight -= eyePos
        dirToLight = normalize(dirToLight)
    }
    half NdotL = max(dot(eyeNormal,dirToLight),0)
    half3 diffse = lightColor * diffuseMaterial * atten
    if(NdotL > 0)
    {
        half3 h = normalize(dirToLight + viewDir)
        half HdotN = max(dot(eyeNormal,h),0)
        half sp = saturate(pow(HdotN,shininess * 128))
        half3 specular = atten * lightColor * specularMaterial * sp
        specColor += specular
    }

    return diffse
}

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