Unity3d Shader篇（五）— Phong片元高光反射着色器

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前言

在 Unity 中，Shader 可以用来实现各种视觉效果。本教程将详细介绍如何编写一个基于 Phong片元高光反射着色器，使物体的颜色根据光照和法线方向的变化而变化。

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一、Phong片元高光反射着色器是什么？

1. Phong片元高光反射着色器的工作原理

Phong 片元高光反射着色器是一种基于 Phong 光照模型的着色器，它可以模拟物体表面的漫反射、环境光和高光效果。Phong 光照模型是一种经验性的局部光照模型，它描述了物体表面反射光的方式，是一种常用的光照模拟方法。

Phong 片元高光反射着色器的主要特点是，它在片元着色器中计算光照颜色，而不是在顶点着色器中。这样做的好处是，可以提高光照效果的精细度和真实度，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，可以避免出现锯齿或者平面化的现象。但是，这样做的缺点是，会增加片元着色器的计算量，降低性能和效率。

2. Phong片元高光反射着色器的优缺点

优点

它可以模拟出比较真实的光照效果，使物体表面有明暗、光滑、粗糙等不同的感觉。
它可以适用于各种类型的物体表面和光源，具有很强的通用性和灵活性。
它可以在片元着色器中进行计算，使得每个片元的光照效果更加精细和准确。

缺点

它的计算量较大，需要对每个片元进行多次的向量运算和幂运算，消耗较多的性能资源。
它是一个经验模型，并不完全符合真实世界中的光照现象，有一些物理上的不准确和不一致。
它的高光反射的形状不够自然，往往是一个圆形或椭圆形，不能模拟出复杂的高光形状，比如星形、心形等。

二、使用步骤

1. Shader 属性定义

// 定义属性
Properties
{
    _Diffuse("Diffuse",Color)=(1,1,1,1) // 漫反射颜色属性，默认白色
    _Specular("Specular",Color)=(1,1,1,1) // 高光颜色性，默认白色
    _Gloss("Gloss",Range(1,256))=5// 高光反射系数
}

这段代码定义了Shader的属性，其中：
_Diffuse: 表示漫反射颜色属性，使用RGBA格式表示颜色，默认为白色 (1, 1, 1, 1)。
_Specular: 表示高光颜色属性，同样使用RGBA格式表示颜色，默认为白色 (1, 1, 1, 1)。
_Gloss: 表示高光反射系数属性，使用Range声明范围为1到256，默认值为5。

2. SubShader 设置

SubShader
{
    Tags
    {
        "RenderType" = "Opaque" // 渲染类型为不透明
    }
    
    LOD 100 // 细节级别
}

SubShader 定义了一组渲染设置，包括标签和细节级别。在这里，我们将渲染类型标签设置为 “Opaque”，表示物体是不透明的。

3. 渲染 Pass

Pass
{
    CGPROGRAM
    #pragma vertex vert
    #pragma fragment frag

    #include "UnityCG.cginc"
    #include "Lighting.cginc"
}

这里开始了渲染 Pass 部分。在这里，我们使用了 CGPROGRAM 指令来声明顶点着色器和片元着色器函数。#pragma vertex vert 和 #pragma fragment frag 分别指定了顶点着色器函数和片元着色器函数的名称。

然后，我们包含了 UnityCG.cginc 和 Lighting.cginc，它们提供了许多有用的函数和宏，用于简化编写 Shader。

4. 定义结构体和顶点着色器函数

// 定义结构体：从顶点到片元的数据传递
struct v2f
{
    float4 vertex:SV_POSITION; // 顶点位置
    fixed3 worldNormal:TEXCOORD0; // 颜色
    fixed3 worldPos:TEXCOORD1;
};

// 顶点着色器函数
v2f vert(appdata_base v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点位置变换到裁剪空间
    fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 世界空间法线
    o.worldNormal = worldNormal;

    //unity_ObjectToWorld 是一个变换矩阵，用于将顶点从对象空间变换到世界空间。
    //v.vertex 是顶点的位置信息。
    //mul() 函数表示矩阵相乘操作，这里将对象空间中的顶点位置矩阵与对象到世界的变换矩阵相乘，得到世界空间中的顶点位置。
    o.worldPos=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
    return o;
}

顶点着色器的输入是一个结构体 appdata_base ，它包含了顶点的位置和法线信息。顶点着色器的输出是一个结构体 v2f ，它包含了顶点的裁剪空间位置和世界空间法线和位置信息。

顶点着色器的主要逻辑是：

1. 使用 UnityObjectToClipPos 函数，将顶点的位置从对象空间变换到裁剪空间，这是渲染管线的必要步骤。

2. 使用 UnityObjectToWorldNormal 函数，将顶点的法线从对象空间变换到世界空间，这是为了计算光照效果所需的方向向量。

3. 使用 unity_ObjectToWorld 矩阵，将顶点的位置从对象空间变换到世界空间，这是为了计算光照效果所需的坐标系。

5. 片元着色器函数

// 片元着色器函数
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
    //获取环境光
    fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;


    //漫反射
    //获取光源位置
    //fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
    //获取光源位置简化函数
    fixed3 worldLightDir = UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos);
    fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldLightDir, i.worldNormal));

    //高光反射
    // 计算反射方向
    fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, i.worldNormal));
    //计算视角
    //fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.WorldPos);
     //计算视角简化版本
    fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
    // 计算高光颜色
    fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

    fixed3 color = diffuse + ambient + specular;
    return fixed4(color, 1); // 输出颜色
}

片元着色器的输入是一个结构体 v2f ，它包含了顶点的裁剪空间位置和世界空间法线和位置信息。片元着色器的输出是一个 fixed4 类型的颜色值，它表示了片元的颜色。

片元着色器的主要逻辑是：

1. 使用 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 宏，获取环境光的颜色，这是 Phong 光照模型的第一个分量。

2. 使用 UnityWorldSpaceLightDir 函数，获取光源的方向向量，这是为了计算漫反射和高光效果所需的角度。

3. 使用 _LightColor0 和 _Diffuse 变量，获取光源的颜色和物体的漫反射颜色，然后使用 max 和 dot 函数，计算光源和法线的夹角的余弦值，这是 Phong 光照模型的第二个分量。

4. 使用 reflect 函数，计算光源的反射方向向量，这是为了计算高光效果所需的角度。

5. 使用 UnityWorldSpaceViewDir 函数，获取视线的方向向量，这是为了计算高光效果所需的角度。

6. 使用 _LightColor0 和 _Specular 变量，获取光源的颜色和物体的高光颜色，然后使用 max 和 dot 函数，计算反射方向和视线方向的夹角的余弦值，然后使用 pow 函数，计算高光的强度，这是 Phong 光照模型的第三个分量。

7. 将环境光、漫反射和高光的颜色相加，得到最终的光照颜色，作为片元着色器的输出。

三、效果

左:Phong顶点高光反射着色器 右:Phong片元高光反射着色器 （_Diffuse设置成了红色)

四、总结

Phong 片元高光反射着色器和 Phong 顶点高光反射着色器都是基于 Phong 光照模型的着色器，可以模拟物体表面的漫反射、环境光和高光效果，使物体看起来更加真实和立体。

Phong 片元高光反射着色器的优劣势

在片元着色器中计算光照颜色，提高了光照效果的精细度和真实度，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，可以避免出现锯齿或者平面化的现象。它的劣势是，会增加片元着色器的计算量，降低性能和效率，尤其是在物体的面数较多或者光源的数量较多时，会造成较大的开销。它不能处理复杂的光照情况，例如多光源、阴影、透明度、反射、折射等，需要使用更高级的着色器来实现。

使用场景

当需要模拟物体表面的光照效果，且需要较高的精度和细节时，可以使用这种着色器。例如，一些复杂的几何形状，或者一些近处的物体，或者一些需要重点关注的物体，都可以使用这种着色器来提高视觉效果和真实感。

Phong 顶点高光反射着色器的优劣势

在顶点着色器中计算光照颜色，减少了片元着色器的计算量，提高了性能和效率。它的劣势是，会导致光照效果不够精细，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，会出现明显的锯齿或者平面化的现象。它不能处理复杂的光照情况，例如多光源、阴影、透明度、反射、折射等，需要使用更高级的着色器来实现。

使用场景

当需要模拟物体表面的光照效果，但又不需要太高的精度和细节时，可以使用这种着色器。例如，一些简单的几何形状，或者一些远处的物体，或者一些不需要太多关注的物体，都可以使用这种着色器来提高性能和节省资源。