摄像机是如何看这个世界的
游戏中摄像机所看到的世界与我们现实中所看到的几乎是一样的。
- 首先，光线从光源中发射出来。
- 然后，光线和场景中的一些物体相交（散射，吸收）。
- 最后，摄像机吸收了一些光，产生一张图像。
光线与物体相交的结果有两个：散射（scattering）和吸收（absorption）
- 散射：只改变光线的方向，但不改变光线的密度和颜色，有两种方向：内部与外部，对应折射与反射。
- 折射（refraction）：散射到物体内部，用漫反射（diffuse）模型来计算。
- 反射（reflection）：散射的物体外部，用高光反射（specular）模型来计算。
- 吸收：只改变光线的密度和颜色，但不改变光线的方向。
用不同的光照模型来计算两种不同的散射方向：漫反射模型和高光反射模型。
- 漫反射：表示有多少光线会被折射、吸收和散射出表面。
- 高光反射：表示物体表面是如何反射光线的。
标准光照模型 （以下粗体都表示向量）
把进入到摄像机内的光线分为4个部分，每个部分使用一种方法来计算它的贡献度。
- 自发光（emissive）：当给定一个方向时，一个表面本身会发射多少辐射量。（并不能照亮周围的物体，只是显得亮而已）
- 高光反射（specular）：当光线从光源照射到模型表面时，该表面会在完全镜面反射方向散射多少辐射量。
- 漫反射（diffuse）：当光线从光源照射到模型表面时，该表面会向每个方向散射多少辐射量。
- 环境光（ambient）：描述其他所有的间接光照。
自发光
直接采用了该材质的自发光颜色。
高光反射
Phong模型公式
specular = (light · shininess)max(0, v · r)^gloss
-
- light：光源颜色
- shininess：反光度
- v：物体到摄像机的方向向量
- r：光线的反射方向向量（利用法线方向和光线入射方向可以计算出来，公式为：r = l - 2(n · l)n, Cg中计算反射方向的函数reflect)
- gloss：光泽度（数值越大亮点越小）
Blinn-Phong模型公式
注意：如果摄像机和光源距离模型足够远的话，Blinn模型速度快于Phone模型，因为，此时可以认为v于l都为定值，因此h将是一个常量。但是当v与l不是定值时，Phone模型反而更快。
specular = (light · shininess)max(0, n · h)^gloss
-
- light：光源颜色
- shininess：反光度
- n：表面法线方向
- h：对v和l取平均后再归一化，公式：h = (v + l) / | v + l |
- gloss：光泽度（数值越大亮点越小）
漫反射
兰伯特定律
diffuse = (light · diffuseColor)max(0, n · l)
-
- light：光源颜色
- diffuseColor：材质漫反射颜色
- n：表面法线方向
- l：光源的单位矢量
- 注意：max函数是为了防止法线和光源方向点乘的结果为负值。
半兰伯特定律
diffuse = (light · diffuseColor)(0.5 * max(0, n · l) + 0.5)
没有任何的物理依据，仅仅是视觉加强技术
代码示例（环境光+漫反射+高光反射）
Shader "Unity My Shader/Diffuse Light"{ Properties { _Color("Color", Color) = (1,1,1,1) // 模型颜色 _Specular("Specular", Color) = (1,1,1,1) // 高光颜色 _Gloss("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20 // 控制高光区域大小 } SubShader { Pass { Tags{ "LightMode"="ForwardBase"} // 定义该Pass在Unity流水线中用于前向渲染 CGPROGRAM // 于ENGCG配对用于包裹Cg代码片 #pragma vertex vert // 利用#pragma告诉Unity顶点着色器的名字叫vert #pragma fragment frag // 同上 #include "UnityCG.cginc" // 引入内置文件 #include "Lighting.cginc" fixed4 _Color; // 定义于Properties中相匹配的变量 fixed4 _Specular; float _Gloss; struct a2v // 顶点着色器的输入结构体 { float4 vertex : POSITION; // 模型的顶点位置信息（基于模型空间） float3 normal : NORMAL; // 模型的顶点法线信息（基于模型空间） }; struct v2f // 顶点着色器的输出结构体和片元着色器的输入结构体 { float4 pos : SV_POSITION; // 模型的顶点信息（基于裁剪空间） float3 worldPos : TEXCOORD0; // 模型的顶点信息（基于世界空间） float3 worldNormal : TEXCOORD1; // 模型的法线信息（基于世界空间） }; v2f vert (a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点位置从模型空间转换到裁剪空间 o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex); // 模型坐标顶点转换世界坐标顶点 o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 模型坐标法线转换世界坐标法线 return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); // 法线方向 fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos)); // 光照方向 fixed3 worldViewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos)); // 视角方向 fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; //环境光 fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir)); // 漫反射 fixed3 halfDir = normalize(worldViewDir + worldLightDir); // Blinn模型 计算 fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss); // 高光反射 return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1); // 相加后输出颜色 } ENDCG } }}