HLSL着色器原理：（二）高级光照

• 小光，小光，小光，小光！
• 本文所总结视频为或许是小光从油管搬运到B站的视频：传送门
• 本文主旨补充Unity客户端编程Shader知识点。
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目录

高级光照

法线贴图

基本光照模型

高级光照

光照衰减（Ligt Attenuation）

方向光（Directional Light）

聚光灯

全局光照

光照模型

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高级光照

法线贴图

• 计算步骤：
  1、采样法线贴图并转换成向量，让顶点着色器传递法线、副法线和切线向量
  2、将采样得到的法向信息从切线空间转换到世界空间
• 法线贴图（normal mapping）的一个像素不代表颜色，而是代表一个法向量（左图）。在RGB通道中，RGB分别代表XYZ三个向量分量。（右图）

• 法线映射。就是用一张图片中定义的法线替代模型上定义的法线
• 切线空间法向量：在一般的图像中,0到255的红色值，对应了X轴向的-90度到90度而绿色对应Y轴，蓝色对应Z轴。三轴合一即为法向量。
• 向量转换：切线空间法向量->物体空间->世界坐标系。转换完成后才可以计算光照向量的影响。

• 数据结构

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基本光照模型

• 环境光（Ambient Lighting）：环境光不宜设置过高，否则会遮盖漫反射和高光的效果。
• 漫反射（Diffuse Lighting）：从光源发射的有向光
• 高光（Specular Lighting）：光线发生镜面反射后的反射光线
• 上述三种光照合在一起成为Blinn光照模型。

• 环境光

• 漫反射光
• 预处理：1、把向量转换到同个向量空间中 2、每一个向量都已经单位化（方便计算夹角）

• 高光
• 镜面性（Specularity）：借助光线来源与摄像机位置模拟光线在表面上发射的近似效果。
• 计算步骤：
  1、引入观察者坐标到像素着色器中
  2、再顶点着色器中计算出观察向量
  3、计算出一个折中向量(该向量直接应用于光照会导致高光覆盖范围过大，如下图所示）
  4、引用光泽度（gloss）变量控制高光范围=>pow(NdotH,gloss); NdotH自乘次数越多，光照范围越收束。

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高级光照

光照衰减（Ligt Attenuation）

• 光照原理物体，照射到物体上的光线就越少。光照衰减只会影响漫反射和高光。
• 光照衰减公式：
  1、线性光照衰减（Linear Light Decay）：光源与物体的距离和物体亮度成反比(取距离倒数）
  2、改进版：成平方反比。（更接近于真实光照）缺点是衰减速率过快，需要反复调试参数。

方向光（Directional Light）

• 方向光只影响光照方向，无论光源物体相对距离如何，亮度不会进行改变（例如阳光），因此方向光也没有光照衰减。

聚光灯

• 聚光灯：同时考虑光源的坐标和光源的方向。

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全局光照

• 全局光照包含两部分：环境光遮蔽（Ambient Occlusion），分散卷积立方贴图（Diffusely Convolved Cubemaps）
• 需要以不重叠且坐标合法的方式展开UV

• 制作环境光贴图步骤请参考原视频2.8部分，制作完成后用环境光代替漫反射贴图即可。

• 环境立方贴图（Cube Mapping）：计算从环境四处发射来的光线

• 制作环境立方贴图：对应视频2.10部分
• 方式：1、基于真实环境光线的立方贴图 2、基于虚拟环境的立方贴图
• 方式1步骤：1、制作光照探针图（HDR图像，高亮度会显示暗部细节，反之显示更多亮部细节）2、将探针图转换为经纬图 3、经纬图转换为分散卷积图（每个像素不仅携带自己方向上的颜色信息，还要计算180度球体范围内的所有像素信息然后进行平均运算，即每一个像素都代表了半球范围内的所有信息） 4、把分散卷积图转换为立方环境贴图（十字形）

探针图

经纬图

分散卷积图

立方环境贴图

• 方式2步骤：在软件（3DS max等）中用摄像机截取六个方向的图片，然后重复方式1的步骤

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光照模型

• 光照模型：一套数学公式，基于我们选定的参数来决定每个像素的渲染颜色
• Phong光照模型（高光）：基于Blinn模型的简化版。区别为，Phong计算高光的方式与Blinn模型不同。Blinn模型中不计算高光的折中向量，而直接计算反射结果，以此来代替HDR贴图的高消耗。

• Phong模型高光效果：适合塑料表面，光照比较紧凑

光泽度=4

光泽度=0.01

• Blinn模型高光效果：适合金属表面

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• Cook/Torrence光照模型（高光）：为模拟金属表面（拉丝金属、铝制品）而设计，应对计算不光滑表面
• 菲涅尔效应：传送门

不光滑表面光线示意图

其中一些光照不会反射出去

• 数据结构

高光滑度

高光滑度

 

中等光滑度

低光滑度

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• Oren-Nayer光照模型（漫反射）：可以替换Blinn模型的漫反射光照计算部分。适用于皮肤，衣服，黏土等表面，来模拟粗糙表面。
• 缺点：计算耗时长。

粗糙度为0时等价于Blinn模型

中等粗糙度

高粗糙度

• 数据结构

float orenNayar(float3 N,float3 V,float NdotL,float NdotV,float Roughness1)
{
//根据传入三个向量，将光照摊平在表面上
        float theta_r = acos(NdotV);
        float theta_i = acos(NdotL);

        float cos_phi_diff = saturate(dot(normalize(V - N * NdotV),normalize(L - N * NdotL)));

        float alpha =  max(theta_i,theta_r);
        float beta = min(theta_i,theta_r);

        float A = 1.0 - 0.5 * Roughness1 / (Roughness1 + 0.33);
        float B = 0.45 * Roughness1 / (Roughness1 + 0.09);

        return saturate(NdotL) * (A + B * sin(alpha) * tan(beta));
}


float4 f(v2f In,uniform float4 lightColor) : COLOR
{
        float4 Diffuse = orenNayar(N,L,NdotL,NdotV,Roughness1) * ColorTexture * DiffuseColor;
        return (Diffuse + Ambient) * lightColor;
}