在Untiy Shader中实现高光反射光照模型（逐顶点光照、逐像素光照、Blinn—Phong光照模型）
我们知道基本光照模型中反射部分的计算公式：
在公式可以看出，要计算高光反射需要4个参数：入射光线的颜色和强度clight，材质的高光反射系数mspecular，视角方向v以及反射方向r。其中，反射方向r可以有表面法线n和光源方向l计算而得
Cg中为我们提供了计算反射方向的函数reflect
- 函数：reflect（i，n）
- 参数：i：入射角方向，n：法线方向。可以是float、float2、float3等类型。
- 描述：当给定入射方向i和法线方向n时，reflect函数可以返回反射方向。下图给出了参数和返回值之间的关系。
实践：逐顶点光照
我们先新建好一个场景，再新建有个材质，最后在新建有个Shader，把这个Shader赋给刚刚建好的材质
再在Lighting窗口中把天空盒去掉
打开Lighting窗口的方法在这：打开Lighting窗口的方法在此文章最底下
开始编写代码
Shader "Unity Shader Book/Chapter 6/Specular Verx-Level"
{
Properties
{
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Specular ("Specyler", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
SubShader
{
Pass
{
Tags {"LightMode"="ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
struct a2v
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR;
};
v2f vert (a2v v)
{
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLightDir));
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir,worldNormal));
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
o.color = ambient + diffuse + specular;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
return fixed4(i.color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
的漫反射方法 使用逐顶点的方法得到的高光效果有比较大的问题，我们可以在下面效果图中看到
图中的高光部分明显不平滑。这主要是因为，高光部分计算是非线性的，而在顶点着色器中计算光照再进行插值的过程是线性的，破坏了原计算的非线性关系，就会出现较大的视觉问题。因此，我们就需要使用逐像素的方法来计算高光反射。
实践：逐像素光照
我们可以使用逐像素光照来得到更加平滑的高光效果
我们先新建好一个场景，在新建有个材质，最后在新建有个Shader，把这个Shader赋给刚刚建好的材质
然后我们开始编写代码
// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'
Shader "Custom/Chapter6-SpecularPixelLevel"
{
Properties
{
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Specular ("Specyler", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
SubShader
{
Pass
{
Tags {"LightMode"="ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
struct a2v
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldPos : TEXCOORD1;
};
v2f vert (a2v v)
{
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
return fixed4 (ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
效果图：
可以看出，按逐像素的方式可以得到更加平滑的高光效果，至此我们就实现了一个完整的Phong模型
Blinn—Phong模型
Blinn模型没有使用反射方向，而是引入了一个新的矢量h，它是通过对视角方向v和光照方向l相加后再归一化得到的，即
而Blinn模型计算高光反射的公式如下：
Blinn—Phong模型的实现和上面的代码很相似
我们先新建好一个场景，在新建有个材质，最后在新建有个Shader，把这个Shader赋给刚刚建好的材质
下面我们开始编写Shader代码
Shader "Custom/Chapter6-BlinnPhong"
{
Properties
{
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Specular ("Specyler", Color) = (1, 1, 1, 1)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
SubShader
{
Pass
{
Tags {"LightMode"="ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
struct a2v
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldPos : TEXCOORD1;
};
v2f vert (a2v v)
{
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)),_Gloss);
return fixed4 (ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
效果图：逐顶点的高光反射光照、逐像素的高光反射光照（Phong光照模型）、Blinn—Phong高光反射光照模型
可以看出，Blinn—Phong光照模型的高光反射部分看起更大、更亮一些。在实际渲染中，绝大多数情况我们都会选择Blinn—Phong光照模型。