【Unity Shader编程】之光照模型

根据Unity Shader编程的光照模型实现，光线通常可分为以下核心组成部分：

一、基础光照分量

环境光（Ambient）

全局基础照明，不依赖具体光源
实现方式：UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT内置变量

漫反射光（Diffuse）

兰伯特模型（Lambertian）模型：diffuse = max(0, dot(N, L))
半兰伯特模型（Half-Lambert）模型 diffuse=dot(N,L)a+b,ab可调，通常ab都为0.5
示例代码： float3 diffuse =
漫反射光强 = S_diff * m_diff * max(dot(n, l), 0)
S_diff：光源漫反射颜色（含强度）3
m_diff：材质漫反射系数（0-1，决定表面颜色）
n：表面单位法线向量
l：指向光源的单位方向向量
max()：确保背光面光强不低于04
可以增加漫反射系数
漫反射光强 = S_diff * m_diff * o_diff max(dot(n, l), 0)
o_diff：物体漫反射系数

镜面反射光（Specular）

高光反射，主要是利用，摄像机和反射角的夹角来判断，但夹角越小，说明名高光反射越强，所以利用点乘来计算，假设一下，你看着镜子，反射光直照射你的眼睛，是不是代表着反射强度越大，所以第一种phone模型一种是先求出光线反射角，然后计算光线反射角与摄像机视角的点积，但可能因夹角超过 90° 导致高光断层

phone高光模型

在这里插入图片描述

Blinn-Phong高光模型：

Blinn-Phong 模型是对 Phong 模型的优化改进，通过引入半角向量（Halfway Vector）简化计算并改善高光效果26。其光照由三部分构成：

因为R点乘v要求出反射光线R向量，虽然不是不可以，但是比较麻烦，计算量大。所以Blinn提出来了一个天才般的想法：
不去计算R与v的夹角余弦，而是去计算v和入射方向I的角平分线与表面法线的夹角余弦。于是就定义了这个角平分线为h。
如何衡量两个向量接近？——使用点乘
两个向量越近，点乘结果越接近1，两个向量越远，点乘结果越接近0
在这里插入图片描述

自发光（Emissive）

独立于外部光源的自主发光
实现方式：直接赋值颜色值
自发光原理就是颜色叠加

Shader "Custom/VertexEmission" {Properties {_MainTex ("Base Texture", 2D) = "white" {}_EmissionMap ("Emission Map", 2D) = "white" {}_EmissionColor ("Emission Color", Color) = (1,1,1,1)_EmissionIntensity ("Emission Intensity", Range(0, 5)) = 1.0 }SubShader {Pass {Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 200 CGPROGRAM#include "UnityCG.cginc" #pragma vertex vert #pragma fragment frag #pragma multi_compile_fwdbase struct appdata {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;};sampler2D _MainTex;sampler2D _EmissionMap;fixed4 _EmissionColor;float _EmissionIntensity;v2f vert (appdata v) {v2f o;o.pos  = UnityObjectToClipPos(v.vertex);   // 模型空间→裁剪空间转换[1]()o.uv  = v.uv; o.worldNormal  = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);   // 法线空间转换[2]()return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {fixed4 baseColor = tex2D(_MainTex, i.uv); fixed4 emission = tex2D(_EmissionMap, i.uv)  * _EmissionColor*_EmissionIntensity;// 叠加自发光效果 return baseColor +emission;}ENDCG }
}FallBack "Diffuse"
}

二、扩展光照类型

1.法线贴图增强光
通过Tangent Space Normal Map修改表面细节光照
关键函数:UnpackNormal(tex2D(_BumpMap，uv))
根据法线来调整物体各个像素的颜色，那么就获取法线的值，然后进行物体颜色的叠加就可以获取到了

Shader "Custom/VertexFragmentExample"
{Properties {_MainTex ("主纹理", 2D) = "white" {}  // 材质面板可见的纹理属性 _Color ("颜色系数", Color) = (1,1,1,1) // 颜色调节参数 _BumpColor ("法线自发光颜色系数", Float) = 1 // 颜色调节参数 }SubShader {Pass {CGPROGRAM #pragma vertex vert   // 声明顶点着色器函数 #pragma fragment frag // 声明片元着色器函数 #include "UnityCG.cginc"  // 包含Unity内置函数 // 输入结构体：从Mesh数据自动获取[1]()struct appdata {float4 vertex : POSITION;   // 顶点位置（模型空间）float3 normal : NORMAL;     // 顶点法线（模型空间）float2 uv : TEXCOORD0;      // 第一套UV坐标 };// 输出结构体：顶点着色器->片元着色器的数据传递[2]()struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;   // 必须包含的裁剪空间位置 float3 worldNormal : TEXCOORD1; // 自定义数据通道1存储世界法线 float2 uv : TEXCOORD0;      // 传递UV坐标 };sampler2D _MainTex;     // 声明纹理采样器float4 _MainTex_ST;     // 纹理的缩放偏移参数 float4 _Color;          // 颜色参数 float _BumpColor;v2f vert (appdata v){v2f o;// 核心坐标转换：模型空间->裁剪空间[3]()o.pos  = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  // 法线转换：模型->世界空间 o.worldNormal  = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 纹理坐标处理：应用缩放偏移参数 o.uv  = TRANSFORM_TEX(v.uv,  _MainTex); return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {// 采样纹理并叠加颜色参数 fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv)  * _Color;// 可视化法线数据（范围转换到0-1）fixed3 normalColor = i.worldNormal+_BumpColor;// 最终输出颜色（叠加法线可视化效果）return texColor * float4(normalColor, 1.0);}ENDCG }}
}

2.高光遮罩光(Specular Mask)
使用纹理Alpha通道控制高光强度
其实就是高光，只是一张贴图，通过透明通道来控制各部位高光的值

Shader "Custom/SpecularMask" {Properties {_MainTex ("Main Texture", 2D) = "white" {}_SpecularMask ("Specular Mask (Alpha)", 2D) = "white" {}_SpecularScale ("Specular Scale", Range(0, 2)) = 1.0_SpecularColor ("Specular Color", Color) = (1,1,1,1)_Gloss ("Gloss", Range(8, 256)) = 20}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" "LightMode"="ForwardBase"}Pass {CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"struct appdata {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float3 viewDir : TEXCOORD2;};sampler2D _MainTex;sampler2D _SpecularMask;float4 _SpecularMask_ST;float _SpecularScale;float4 _SpecularColor;float _Gloss;v2f vert (appdata v) {v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _SpecularMask);// 计算世界空间法线和视角方向o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);o.viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target {// 基础纹理采样fixed4 baseColor = tex2D(_MainTex, i.uv);// 高光遮罩采样fixed4 mask = tex2D(_SpecularMask, i.uv);float specularIntensity = mask.a * _SpecularScale;// 光照计算float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);float3 halfDir = normalize(lightDir + i.viewDir);// 高光计算float spec = pow(max(0, dot(normalize(i.worldNormal), halfDir)), _Gloss);float3 specular = _SpecularColor.rgb * spec * specularIntensity;// 最终颜色合成return fixed4(baseColor.rgb + specular, 1.0);}ENDCG}}FallBack "Diffuse"
}