Unity Shader:光照模型,纹理,详细注释

2023-05-16

Phong光照模型

进入摄像机的光线分为四个部分:

环境光(ambient)

其他所有间接光照

自发光(emissive)

给定一个方向,模型表面本身向该方向发射多少辐射量

漫反射(diffuse)

当光线从光源照射到模型表面时,会向所有方向散射多少辐射量

高光反射(specular)

当光线从光源照射到模型表面时,会向镜面反射方向散射多少辐射量

Blinn-Phong模型:引入半程向量来计算高光反射,能得到更好的结果

Blinn-Phong模型是各向同性(isotropic)的,固定视角和光源方向旋转表面时,反射不会发生变化。

逐像素光照:Phong着色(Phong shading)

使用每个像素的法线(对顶点法线插值得到 或法线纹理中采样得到)进行光照模型的计算

逐顶点光照:高洛德着色(Gouraud shading)

只在顶点上计算光照,将结果进行线性插值得到像素颜色,无法计算高光反射

且会导致图元内部的颜色暗于顶点处的最高颜色值,可能会产生棱角现象

但是计算量很小。

逐顶点光照 (Gouraud shading)

Shader "Custom/DiffuseVertex"
{
    Properties
    {
        _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
        
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Tags { "RenderType"="ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            //指定顶点着色器的函数
            #pragma vertex vert  
            //指定片元着色器的函数
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"
            struct a2v{  //顶点着色器的输入
                float4 vertex: POSITION;  //顶点坐标
                float3 normal:NORMAL;    //顶点法线
            };
            struct v2f{ //顶点着色器的输出,片元着色器的输入
                float4 pos:SV_POSITION;
                float3 color:COLOR;
            };

            fixed4 _Diffuse;

            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;
                o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);   //使用内建函数实现MVP变换
                fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;  //使用内置宏获取环境光照
                fixed3 worldNormal=normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject)); //法线 的世界坐标
                fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);  //光方向矢量 的世界坐标
                //saturate函数可以对矢量的每一个分量截取在[0,1]范围内
                fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLight));
                o.color=ambient+diffuse;  //加上环境光照
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i):SV_TARGET
            {
                return fixed4(i.color,1.0); 
            }
            
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

逐像素光照 (Phong shading)


Shader "Custom/DiffusePixel"
{
    Properties
    {
        _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
        _Specular("Specular",Color)=(1,1,1,1)
        _Gloss("Gloss",Range(8.0,256))=20
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Tags { "RenderType"="ForwardBase" }
            CGPROGRAM
    
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"

            struct a2v{
                float4 vertex: POSITION;
                float3 normal:NORMAL;
            };
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;
                float3 worldNormal:TEXCOORD0;
                float3 worldPos:TEXCOORD1;
            };

            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            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;  //顶点变换到世界空间,并截取3x3矩阵
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i):SV_TARGET
            {
                fixed3 worldNormal=normalize(i.worldNormal);  //法线向量归一化
                fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;  //环境光照
                fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);  //指向光源的方向向量世界坐标
                //saturate函数可以对矢量的每一个分量截取在[0,1]范围内
                fixed lambert=saturate(dot(worldNormal,worldLight));  //兰伯特光照模型
                float halfLambert=dot(worldNormal,worldLight)*0.5+0.5; //半兰伯特光照模型
                fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * halfLambert;  //计算漫反射(使用半兰伯特模型)
                return fixed4(ambient+diffuse,1.0);
            }
            
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

镜面反射(高光反射)

在上述基础上增加了specular分量的计算,使用半程向量,可以不用计算反射光线。同时也给出了计算反射光线的方法。

逐像素光照


Shader "Custom/DiffusePixel"
{
    Properties
    {
        _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
        _Specular("Specular",Color)=(1,1,1,1)
        _Gloss("Gloss",Range(8.0,256))=20
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Tags { "RenderType"="ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"

            struct a2v{
                float4 vertex: POSITION;
                float3 normal:NORMAL;
            };
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;
                float3 worldNormal:TEXCOORD0;
                float3 worldPos:TEXCOORD1;
            };

            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            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;  //顶点变换到世界空间,并截取3x3矩阵
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i):SV_TARGET
            {
                fixed3 worldNormal=normalize(i.worldNormal);  //法线向量归一化
                fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;  //环境光照
                fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);  //指向光源的方向向量世界坐标
                //saturate函数可以对矢量的每一个分量截取在[0,1]范围内
                fixed lambert=saturate(dot(worldNormal,worldLight));  //兰伯特光照模型
                float halfLambert=dot(worldNormal,worldLight)*0.5+0.5; //半兰伯特光照模型
                fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * halfLambert;  //计算漫反射(使用半兰伯特模型)
                fixed3 viewDir=normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz); //视线,从像素到摄像机
                fixed3 reflectDir=normalize(reflect(-worldLight,worldNormal)); //计算反射光线方向
                fixed3 halfDir=normalize(worldLight+viewDir);  //半程向量
                fixed3 specular_phong = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir,viewDir)),_Gloss); //使用Phong模型计算的高光
                fixed3 specular_blinn = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(halfDir,worldNormal)),_Gloss); //使用Blinn-Phong模型计算的高光
                return fixed4(ambient+diffuse+specular_blinn,1.0);
            }
            
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}


纹理

单一纹理贴图

Shader "Custom/SingleTexture"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)  //控制物体整体色调
        _Specular ("Specular",Color) = (1,1,1,1)  
        _Gloss ("Gloss",Range(8.0,256)) = 20  
        _MainTex ("Main Tex",2D)="white" {}  //使用的纹理贴图
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"

            struct a2v{
                float4 vertex: POSITION;
                float3 normal:NORMAL;
                float4 texcoord:TEXCOORD0;
            };
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;       //裁剪空间坐标
                float3 worldNormal:TEXCOORD0; //世界空间坐标
                float3 worldPos:TEXCOORD1;
                float2 uv:TEXCOORD2;
            };

            fixed4 _Color;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;
            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;  //纹理的缩放和平移值
            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;  //顶点着色器输出
                o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);  
                o.worldNormal=UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                o.worldPos=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;  
                o.uv=v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw; //乘以缩放矩阵,再加上平移量
                //或者可以使用内置宏:
                //o.uv=TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_MainTex);
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i):SV_TARGET
            {
                fixed3 worldNormal=normalize(i.worldNormal);
                fixed3 worldLightDir=normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));  //使用内置函数得到光线矢量
                fixed3 albedo=tex2D(_MainTex,i.uv).rgb * _Color.rgb;  //从纹理中获得计算漫反射使用的颜色
                fixed3 diffuse=albedo*_LightColor0.rgb*max(0,dot(worldNormal,worldLightDir)); //计算漫反射颜色
                fixed3 viewDir=normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
                fixed3 halfDir=normalize(worldLightDir+viewDir);  //计算半程向量
                fixed3 specular=_LightColor0.rgb * _Specular.rgb *pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)),_Gloss);
                fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;  //计算环境光照
                
                return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);


            }
            
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Specular"
}

法线贴图

在顶点的切线空间中计算

Shader "Custom/NormalMap_TangentSpace"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color Tint", Color) = (1,1,1,1)  //控制整体色调
        _MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}   //光照贴图
        _BumpMap ("Normal Map",2D)="bump" {}     //法线纹理
        _BumpScale ("Bump Scale",Float)=1.0
        _Specular ("Specular", Color)=(1,1,1,1)
        _Gloss ("Gloss", Range(0,255)) = 10
        
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
            
            CGPROGRAM
            // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"
            #include "UnityCG.cginc"

            fixed4 _Color;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;
            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;  //纹理的缩放和平移值
            sampler2D _BumpMap;
            float4 _BumpMap_ST;
            float _BumpScale;  //控制凹凸程度

            struct a2v{
                float4 vertex: POSITION;
                float3 normal:NORMAL;    
                float4 tangent:TANGENT;  //切线方向
                float4 texcoord:TEXCOORD0;   //_MainTex和_BumpMap 通常使用同一组纹理坐标
            };
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;       //裁剪空间坐标
                float4 uv:TEXCOORD0;        //xy存储光照贴图的纹理坐标,zw存储法线贴图的纹理坐标
                float3 lightDir:TEXCOORD1;  //光照方向
                float3 viewDir:TEXCOORD2;   //视角方向k
            };


            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;  //顶点着色器输出
                o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv.xy=v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;  //纹理坐标乘以纹理的缩放加上平移
                o.uv.zw=v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;  //法线贴图坐标乘以缩放加上平移
                //用z轴(法线)叉乘x轴(切线)来计算y轴(副切线)的方向
                float3 binormal=cross(normalize(v.normal),normalize(v.tangent.xyz)) * v.tangent.w;
                //构造切线空间到模型空间的变换矩阵
                float3x3 rotation=float3x3(v.tangent.xyz,binormal,v.normal);
                //把光照方向和视角方向变换到切线空间
                o.lightDir=mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex));
                o.viewDir=mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex));
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i):SV_TARGET
            {

                fixed3 tangentLightDir=normalize(i.lightDir);  //切线空间下的光照方向
                fixed3 tangentViewDir=normalize(i.viewDir);   //切线空间下的观察方向
                fixed4 packedNormal=tex2D(_BumpMap,i.uv.zw);  //从法线贴图中采样得到切线空间下的法线
                
                fixed3 tangentNormal;
                tangentNormal.xy=(packedNormal.xy*2-1)*_BumpScale;
                tangentNormal.z=sqrt(1.0-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy))); //z^2=1-(x^2+y^2)
                
                //如果在Unity中把法线纹理的类型设置成Normal_Map,可以使用内置宏:
                //tangentNormal=UnpackNormal(packedNormal);
                //tangentNormal.xy*=_BumpScale
                //tangentNormal.z=sqrt(1.0-saturate(dot((tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)))); //z^2=1-(x^2+y^2)

                fixed3 albedo=tex2D(_MainTex,i.uv).rgb * _Color.rgb;  //从纹理中获得计算漫反射使用的颜色
                fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;  //计算环境光照
                fixed3 diffuse=albedo*_LightColor0.rgb*max(0,dot(tangentNormal,tangentLightDir)); //在切线空间中计算漫反射颜色
                fixed3 halfDir=normalize(tangentLightDir+tangentViewDir);  //半程向量
                //在切线空间中计算高光
                fixed3 specular=_LightColor0.rgb * _Specular.rgb *pow(max(0,dot(tangentNormal,halfDir)),_Gloss);
                
                return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);


            }
            
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Specular"
}

在世界空间中计算(推荐)

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'

Shader "Custom/NormalMap_WorldSpace"
{
    Properties
    {
        _Color ("Color Tint", Color) = (1,1,1,1)  //控制整体色调
        _MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}   //基本纹理贴图
        _BumpMap ("Normal Map",2D)="bump" {}     //法线纹理
        _BumpScale ("Bump Scale",Float)=1.0    //凹凸程度
        _Specular ("Specular", Color)=(1,1,1,1)
        _Gloss ("Gloss", Range(0,255)) = 10
        
    }
    SubShader
    {
        Pass{
            Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
            
            CGPROGRAM
            // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"
            #include "UnityCG.cginc"

            fixed4 _Color;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;
            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;  //纹理贴图的缩放和平移值
            sampler2D _BumpMap;
            float4 _BumpMap_ST;  //法线贴图的缩放和平移值
            float _BumpScale;  

            struct a2v{
                float4 vertex: POSITION;
                float3 normal:NORMAL;    
                float4 tangent:TANGENT;  //切线方向,w分量存储旋向性,用于确定副切线的方向性
                float4 texcoord:TEXCOORD0;   //_MainTex和_BumpMap 通常使用同一组纹理坐标
            };
            struct v2f{
                float4 pos:SV_POSITION;       //裁剪空间坐标
                float4 uv:TEXCOORD0;        //xy存储光照贴图的纹理坐标,zw存储法线贴图的纹理坐标
                float4 TtoW0: TEXCOORD1;    //分开存储切线空间到世界空间的变换矩阵
                float4 TtoW1: TEXCOORD2;
                float4 TtoW2: TEXCOORD3;
                
            };


            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;  //顶点着色器输出
                o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv.xy=v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;  //纹理坐标乘以纹理的缩放加上平移
                o.uv.zw=v.texcoord.xy * _BumpMap_ST.xy + _BumpMap_ST.zw;  //法线贴图坐标乘以缩放加上平移

                float3 worldPos=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
                fixed3 worldNormal=UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                fixed3 worldTangent=UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
                //用z轴(法线)叉乘x轴(切线)来计算y轴(副切线)的方向
                fixed3 worldBinormal=cross(worldNormal,worldTangent) * v.tangent.w;
                //切线空间变换到世界空间的变换矩阵,前三列是切线空间的坐标轴在世界空间下的表达
                //因为只需要变换向量(法线),不需要计算平移,只需要3x3的矩阵, w分量可以用于存储worldPos
                o.TtoW0=float4(worldTangent.x,worldBinormal.x,worldNormal.x,worldPos.x);
                o.TtoW1=float4(worldTangent.y,worldBinormal.y,worldNormal.y,worldPos.y);
                o.TtoW2=float4(worldTangent.z,worldBinormal.z,worldNormal.z,worldPos.z);
                return o;
            }
            fixed4 frag(v2f i):SV_TARGET
            {

                float3 worldPos=float3(i.TtoW0.w,i.TtoW1.w,i.TtoW2.w);
                fixed3 lightDir=normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos));
                fixed3 viewDir=normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
                fixed3 bump=UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,i.uv.zw));
                bump.xy*=_BumpScale;
                bump.z=sqrt(1.0-saturate(dot(bump.xy,bump.xy)));
                //左乘变换矩阵,等于和每一行的行向量进行点乘,得到世界空间中的法线
                bump=normalize(half3(dot(i.TtoW0.xyz,bump),dot(i.TtoW1.xyz,bump),dot(i.TtoW2.xyz,bump)));
                
                fixed3 albedo=tex2D(_MainTex,i.uv).rgb * _Color.rgb;  //从纹理中获得计算漫反射使用的颜色
                fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;  //计算环境光照
                fixed3 diffuse=albedo*_LightColor0.rgb*max(0,dot(bump,lightDir)); //计算漫反射颜色
                fixed3 halfDir=normalize(lightDir+viewDir);  //半程向量
                //计算高光
                fixed3 specular=_LightColor0.rgb * _Specular.rgb *pow(max(0,dot(bump,halfDir)),_Gloss);
                return fixed4(ambient+diffuse+specular,1.0);

            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Specular"
}


参考

  1. 冯乐乐 《Unity Shader 入门精要》
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