[游戏开发]21.11.25 《Unity 2018 Shaders and Effects Cookbook》笔记Chapter4

4.Lighting Models

1. 自定义光照模型（custom lighting model）

   1. 改变#pragma指令为：#pragma surface surf LightingModelName
   2. 创建一个名为Lighting + LightingModelName的函数
   3. 例：指令为【#pragma surface surf SimpleLambert】，创建对应函数【LightingSimpleLambert()】

2. 当两向量点积为0时（求点积函数dot()），两向量成90°角（正交）

3. 兰伯特反射

   1. 仅用点积作为光强的系数NdotL（N：Normal 表面法线 L：lightDir 光的方向）
   2. Unity已实现对应函数LightingLambert,可以直接使用#pragma surface surf Lambert（同时也有Phong、BlinnPhong）
   3. color.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (NdotL * atten);

4. ToonShader

   1. 仅用曲面函数得到卡通效果是代价极其昂贵且耗时的（extremely expensive and time consuming）

   2. 卡通阴影需要使用光照模型实现，被称为赛璐珞/赛璐璐（celluloid, 简写CEL）

   3. 使用坡道贴图决定收到的阴影，使用NdotL在坡道贴图上采样得到光强的系数

   4. 或者不使用坡道贴图，用NdotL的值在0到1之间等距采样 (snap)，如：

      half cel = floor(NdotL * _CelShadingLevels / (_CelShadingLevels - 0.5);

5. Unity还提供了观察方向viewDir，在自定义光照模型中是可选的，可以写

   1. half4 LightingCustomName (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten)
   2. half4 LightingCustomName (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten)

6. 冯氏反射（Phong, 镜面反射模型，带viewDir）

   1. 最终光强I = 漫反射颜色D + 镜面反射S

   2. D = NdotL（与兰伯特反射相同）

   3. S = (Reflection dot viewDir)^p

      float spec = pow(max(0, dot(reflectionVector, viewDir)), _SpecPower);

   4. Reflection = 2 * N * (N * NdotL) - LightDir ：向量代数中可以依此公式计算出来

      float3 reflectionVector = normalize(2.0 * s.Normal * NdotL - lightDir);

   5. c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * max(0,NdotL) * atten) + ( _SpecularColor.rgb *_LightColor0.rgb * spec);

7. 布林冯模型（BlinnPhong模型）

   1. 使用半程向量（viewDir和LightDir）替代了反射向量R的计算，半程向量halfVector = |V + L|
   2. float3 halfVector = normalize(lightDir + viewDir);
   3. spec = pow(max(0, dot(s.Normal, halfVector)), _SpecPower) * _SpecularColor;
   4. color.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL) + ( _SpecularColor.rgb *_LightColor0.rgb * spec) * atten;

8. 各向异性镜面模型Anisotropic

   1. 创建数据连接，需要把anisoDir信息(存在tex中)传递给Lighting函数，在surf函数中可以计算出这个值(tex2D()函数)，所以用到自定义的输出结构

      strutc SurfaceAnisoOutput { … } 设置surf(Input IN, inout SurfaceAnisoOutput o)

      设置fixed4 LightingAnisotropic(SurfaceAnisoOutput s, fixed3 lightDir, half3 viewDir, fixed atten)

   2. 计算半程向量halfVector和NdotL

   3. 计算HdotA，A是各向异性方向和法线的半程向量（可以反应反射方向和各向异性方向的夹角）

      fixed HdotA = dot(normalize(s.Normal + s.AnisoDirection), halfVector);

   4. 计算各向异性系数，用sin函数帮助修正上面得到的值，这个公式可以得到一个较暗的中间高光

      float aniso = max(0, sin(radians((HdotA + _AnisoOffset) * 180)));

   5. 用pow函数放大各项异性的影响，并乘以反射系数来降低总体强度

      float spec = saturate(pow(aniso, s.Gloss * 128) * s.Specular);

   6. c.rgb = ((s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL) + ( _SpecularColor.rgb * _LightColor0.rgb * spec)) * atten;

9. 注：注意到从书中摘抄的公式中，atten系数有些只乘在漫反射上，有些只乘在镜面反射上，有些两个都乘了，不清楚是作者故意为之还是其中有什么讲究，通过修改代码实验，肉眼也没有看出来区别；按照个人理解，光照衰减对两种反射都应该有影响，才疏学浅且眼光有限，故该问题留个人实力提升后解答