SRP中的光照

在SRP中，首先我们需要使用CBUFFER来存储光照相关的信息：

CBUFFER_START(_LightBuffer)
	float4 _VisibleLightColors[MAX_VISIBLE_LIGHTS];
	float4 _VisibleLightDirections[MAX_VISIBLE_LIGHTS];
CBUFFER_END

当然，这些数据是从C#中塞过去的，首先需要在C#中定义shader中用到的cbuffer属性，以及存放对应数据的数组：

static int visibleLightColorsId =
    Shader.PropertyToID("_VisibleLightColors");
static int visibleLightDirectionsId =
    Shader.PropertyToID("_VisibleLightDirections");

Vector4[] visibleLightColors = new Vector4[maxVisibleLights];
Vector4[] visibleLightDirections = new Vector4[maxVisibleLights];

CommandBuffer类中提供了传递数据的接口：

cameraBuffer.SetGlobalVectorArray(
    visibleLightColorsId, visibleLightColors
);
cameraBuffer.SetGlobalVectorArray(
    visibleLightDirectionsId, visibleLightDirections
);

light相关的数据可以从CullingResults中获取：

for (int i = 0; i < cull.visibleLights.Count; i++) {
    VisibleLight light = cull.visibleLights[i];
    visibleLightColors[i] = light.finalColor;
    Vector4 v = light.localToWorld.GetColumn(2);
    v.x = -v.x;
    v.y = -v.y;
    v.z = -v.z;
    visibleLightDirections[i] = v;
}

对于平行光来说，它的光照方向取决于它的local z轴的方向，因此我们只要取出这个向量即可，由于Unity的向量是列向量，所以矩阵的第2列（下标从0开始）就是这个local z轴。

对于点光源来说，它并不存在某一个具体的光照方向，而是需要具体的位置信息。因此，在C#层需要对数据结构稍微修改：

static int visibleLightDirectionsOrPositionsId =
    Shader.PropertyToID("_VisibleLightDirectionsOrPositions");

Vector4[] visibleLightDirectionsOrPositions = new Vector4[maxVisibleLights];

传递数据的地方也要修改：

cameraBuffer.SetGlobalVectorArray(
    visibleLightDirectionsOrPositionsId, visibleLightDirectionsOrPositions
);

在塞数据的时候，需要对光源的类型进行区分：

if (light.lightType == LightType.Directional) 
{
    Vector4 v = light.localToWorld.GetColumn(2);
    v.x = -v.x;
    v.y = -v.y;
    v.z = -v.z;
    visibleLightDirectionsOrPositions[i] = v;
}
else 
{
    visibleLightDirectionsOrPositions[i] =
        light.localToWorld.GetColumn(3);
}

也很好理解，点光源的位置保存在矩阵的最后一列中。

同样地，在shader中也要对CBUFFER里的定义进行修改：

CBUFFER_START(_LightBuffer)
	float4 _VisibleLightColors[MAX_VISIBLE_LIGHTS];
	float4 _VisibleLightDirectionsOrPositions[MAX_VISIBLE_LIGHTS];
CBUFFER_END

那么，shader中要如何区分平行光源和点光源呢？平行光源传入的是向量，用float4来表示，最后一位分量w是0，而点光源传入的是位置，用float4表示的话最后一位分量w是1。在计算光源方向时，可以统一用下面一行代码计算：

float3 lightVector = lightPositionOrDirection.xyz - worldPos * lightPositionOrDirection.w;

点光源的range信息也可以从VisibleLight数据结构中获取：

attenuation.x = 1f /
    Mathf.Max(light.range * light.range, 0.00001f);

然后我们就可以传到shader中，去实现我们自定义的衰减逻辑了：

float rangeFade = dot(lightVector, lightVector) * lightAttenuation.x;
rangeFade = saturate(1.0 - rangeFade * rangeFade);
rangeFade *= rangeFade;

float distanceSqr = max(dot(lightVector, lightVector), 0.00001);
diffuse *= rangeFade / distanceSqr;

最后是聚光灯，它更复杂一些，既需要方向信息，也需要位置信息。除此之外，它还有个能被照亮的最大角度，超出该角度范围里的物体是不会被照亮的，这个衰减是过渡的，我们假设聚光灯方向与聚光灯到物体的方向夹角为$\theta$，聚光灯开始衰减的角度为${\theta }_0$，彻底衰减时的角度为${\theta }_1$，那么衰减如下计算：
$$F=\frac{cos\theta -cos{\theta }_1}{cos{\theta }_0-cos{\theta }_1}$$
$cos\theta$的值是在shader中计算的，其余部分是常量，可以在C#层预先计算好传进去：

float outerRad = Mathf.Deg2Rad * 0.5f * light.spotAngle;
float outerCos = Mathf.Cos(outerRad);
float outerTan = Mathf.Tan(outerRad);
float innerCos =
    Mathf.Cos(Mathf.Atan(((46f / 64f) * outerTan)));
float angleRange = Mathf.Max(innerCos - outerCos, 0.001f);
attenuation.z = 1f / angleRange;
attenuation.w = -outerCos * attenuation.z;

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Reference
[1] Lights