Unity Shader自定义光照模型

前几天去一家公司面试，因为简历上写着“能写简单的Shader”，就被问了一个问题：怎么自定义一个光照模型？

直接懵逼了，隐隐约约能联想到的什么漫反射光+镜面反射光+环境光...难道是这个？光照模型就是#pragam surface surf Lambert里面的那个Lambert呗？这不都是写好的吗？还能自定义啊？！本着“程序是严谨的”的心态，宁可说不知道，也不能瞎说。。。

今天有空，抓紧学习一下自定义光照模型...

首先，新建一个SurfaceShader，打开后做如下修改

#pragma surface surf Standard fullforwardshadows >> #pragma surface surfMyLightingModel

之后，在SubShader块儿中实现这个光照模型：

inline float4 LightingMyLightingModel(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten)
		{
			float difLight = max(0, dot (s.Normal, lightDir));
			float4 col;
			col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (difLight * atten * 2);
			col.a = s.Alpha;
			return col;
		}

这个的方法名注意，要前面多了一个“Lighting”，如果直接写“MyLightingModel”是会报错滴...因为找不到，这里具体是怎么做的我也不知道，以后知道了再来补充。

其中lightDir是点到光源的单位向量，atten(attenuation)是衰减系数。如果要用到点到摄像机（观察者）的单位向量，就需要另一个参数：half3 viewDir（因为这个模型是个漫反射模型，就先不考虑观察者角度了）。

dot方法是点乘（点积），在这里求的是入射光线和该点法线的相似度，相似度越高，反射的光线就越多。

关于这个_LightColor0变量，查了一下，比较复杂，是根据当前环境中的各种光源计算出来的...我们只管用就好了。

以上就实现了一个简单的反射的光照模型。

最后来一个漫反射+镜面反射的光照模型，是不是传说中的冯氏反射模型呢？暂且就当做是吧...

float4 LightingPhongModel(SurfaceOutput s, float3 lightDir,half3 viewDir, half atten)
		{
			float4 col;

			float diffuseF = max(0,dot(s.Normal,lightDir));

			float specF;
			float3 H = normalize(lightDir+viewDir);
			float specBase = max(0,dot(s.Normal,H));
			specF = pow(specBase,8);

			col.rgb = s.Albedo * _LightColor0 * diffuseF *atten + _LightColor0*specF; 
			col.a = s.Alpha;
			return col;
		}

float3 H = normalize(lightDir+viewDir);
float specBase = max(0,dot(s.Normal,H));
specF = pow(specBase,8);

这三句是用来计算镜面反射的，镜面反射必然与观察者的位置有关，所以这个方法里用到了这个viewDir参数。

最后来点理论知识，关于漫反射和镜面反射的计算方式。

漫反射：

漫反射与镜面反射的主要区别是法线的分布。如果物体完全光滑的话，那么法线完全垂直于平面，例如镜面及锃亮的金属表面。而很多看起来很光滑平整的物体，如纸，桌面，衣服等，实际上， 用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的。法线并不与肉眼看见的面垂直，而是与实际的面平行。

漫反射：光射到粗糙表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以即使入射线平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射 。这种反射光称为漫反射光。

漫反射的计算

diffuse = Kd x colorLight xmax(N*L,0)

Kd漫反射系数

colorLight 光的颜色

N单位法线向量

L由点指向光源的单位向量

其中N与L点乘，如果结果小于等于0，则漫反射为0

   

镜面反射：
光射到表面光滑平整，法线均匀的物体表面上，这种反射光称为镜面反射光。

Ks 镜面系数

colorLight 光的颜色

N 单位法线向量

L 由点指向光源的单位向量

V 由点指向观察者的单位向量

H（L+V）向量的单位化向量，即normalize(L+V)

shininess镜面强度系数，值越小，高光越分散；值越高，高光越集中。

facing如果N与L的点乘大于0，则facing为1，如果小于等于0，则facing为0

部分内容参考和引用自风宇冲http://blog.sina.com.cn/s/blog_471132920101dhnv.html

所谓的光照模型（光照方程），就是模型对光线做出的反应。因为材质和表面光滑度的不同，在光线照射到物体表面后，因为对光线的吸收和折射反射等等，最终进入眼睛的光线。

比较经典的一个例子，游戏《半条命》中使用的HalfLambert，修改一下我们的第一个光照模型：

float difLight = max(0, dot (s.Normal, lightDir));
float hLambert = difLight * 0.5 + 0.5;
float4 col;
col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (hLambert * atten * 2);
col.a = s.Alpha;
return col;

嗯，很简单，想怎么算就怎么算。但是，要做出炫酷的效果，要学的理论知识还有很多很多...