unity3d shader的软高光的金属效果

软高光的金属效果

学了书里的这一章有很多知识我也很不了解，于是查了一些资料，渐渐的明朗了一些，，一下结合书里的知识和网上的资料与我的理解来说明


主要原理是Cook-Torrance光照模型的算法，是BRDF（双向反射分布函数）的一种，具体算法请看后面


新建一个shader

先浏览一下变量
_MainTint 主色调
_RoughnessTex   粗糙度贴图（控制高光大小）
_Roughness 表面粗糙程度
_SpecularColor  高光颜色
_SpecPower  高光强度

_Fresnel   菲涅尔值(反射系数)

Properties {_MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}_RoughnessTex ("Roughness texture", 2D) = "" {}_Roughness ("Roughness", Range(0,1)) = 0.5//表面粗糙度 贴图_SpecularColor ("Specular Color", Color) = (1,1,1,1)//高光颜色_SpecPower ("Specular Power", Range(0,30)) = 2//高光强度_Fresnel ("Fresnel Value", Range(0,1.0)) = 0.05}

粗糙度越大反射的光越多，所以高光的范围也就越大，像漫反射就是太粗糙了

Fresnel菲涅尔值：

菲涅尔效果是根据观察者的观察表面来调整反射率来实现的。
比如你从水面，油漆表面或者丝绸的正上方看，反射光泽的柔和效果基本没有，如果侧着或平着看的话，反射光泽的柔和效果就很明显，这就是菲涅尔效果。
我们简单地通过点积操作计算表明法线与视线之间夹角的余弦值，再将这个值加权。
对于较平滑表面，加权系数设置较小之间（油漆效果，丝绸等），对于比较凹凸的表面，加权系数设置为更高（水波，液体等）。

算法方面：


主要在LightingMetallicSoft（）函数里实现

inline fixed4 LightingMetallicSoft(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir,half3 viewDir, fixed atten){float3 halfVector = normalize(lightDir+ viewDir);//normalize转化成单位向量float NdotL = saturate(dot(s.Normal, normalize(lightDir)));//入射光与表面法线向量的点积当作漫反射光照强度因子float NdotH_raw = dot(s.Normal, halfVector);//两个单位向量的点积得到两个向量的夹角的cos值float NdotH = saturate(/*NdotH_raw*/dot(s.Normal, halfVector));//如果x小于0返回 0;如果x大于1返回1;否则返回x;把x限制在0-1float NdotV = saturate(dot(s.Normal, normalize(viewDir)));float VdotH = saturate(dot(halfVector, normalize(viewDir)));float geoEnum = 2.0 * NdotH;float3 G1 = (geoEnum * NdotV) / NdotH;float3 G2 = (geoEnum * NdotL) / NdotH;float3 G =  min(1.0f, min(G1, G2));//取小的float roughness = tex2D(_RoughnessTex, float2(NdotH_raw * 0.5 + 0.5, _Roughness)/*uv*/).r;float fresnel = pow(1.0-VdotH, 5.0);//pow()函数:求x的y次方(次幂)fresnel *= (1.0 - _Fresnel);fresnel += _Fresnel;float3 spec = float3(fresnel * G * roughness * roughness) * _SpecPower;float4 c;c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL)+  (spec * _SpecularColor.rgb) * (atten * 2.0f);//_LightColor0场景中平行光的颜色c.a = s.Alpha;return c;}

乍看可能有点眼晕，看我慢慢道来。。。= =

参数：
lightDir  光照方向
viewDir  当前坐标的视角方向
atten  光照的衰减值

dot()求点积
两个单位向量的点积得到两个向量的夹角的cos值


入射光与表面法线向量的点积当作漫反射光照强度因子
    
NdotL = saturate(dot(s.Normal, normalize(lightDir)));      
float NdotH_raw = dot(s.Normal, halfVector);
saturate(x)函数    如果x小于0返回 0;如果x大于1返回1;否则返回x;把x限制在0-1

float NdotH = saturate(dot(s.Normal, halfVector));
float NdotV = saturate(dot(s.Normal, normalize(viewDir)));
float VdotH = saturate(dot(halfVector, normalize(viewDir)));

以上求了各种方向的夹角cos值

查了一下维基

http://en.wikipedia.org/wiki/Specular_highlight#Cook.E2.80.93Torrance_model
翻译一下主要部分

Cook–Torrance光照模型用了一个反射（specular）的形式


//v viewDir 意为World Space View Direction。就是当前坐标的视角方向
//N normal法线方向向量     
//L light光线方向向量      
//H  半角向量用来计算镜面反射（specular reflection）的中间方向矢量（halfway vector）
//E  摄像机/人眼观察的方向向量
//G  几何衰减系数    描述由于微平面（microfacets）产生的自投影
//F  菲涅尔值(反射系数)
//D   微平面分布函数( Beckmann distribution factor )

本shader得算法与wiki的略有不同，
但G的求法完全相同：

如图为维基中求法：

以下为代码：

<pre name="code" class="cpp">float geoEnum = 2.0 * NdotH;float3 G1 = (geoEnum * NdotV) / NdotH;float3 G2 = (geoEnum * NdotL) / NdotH;float3 G =  min(1.0f, min(G1, G2));//取小的

方法是完全相同的。

从粗糙贴图的R通道中读取粗糙值roughness = tex2D(_RoughnessTex, float2(NdotH_raw * 0.5 + 0.5, _Roughness)/*uv*/).r;

求菲涅尔值(反射系数)

pow(x,y)函数:求x的y次方(次幂)

fresnel = pow(1.0-VdotH, 5.0);    fresnel *= (1.0 - _Fresnel);fresnel += _Fresnel;高光占整个物体比率 = 菲涅尔值(反射系数) * 几何衰减系数 * 粗糙值的平方再与外部可控的SpecPower高光强度做积spec = float3(fresnel * G * roughness * roughness) * _SpecPower;

最终反射颜色_LightColor0是场景中平行光的颜色atten是光照的衰减值 c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL)+  (spec * _SpecularColor.rgb) * (atten * 2.0f);

给出了三种不同粗糙程度的贴图如下：

      

粗糙度由上到下依次减弱

最后实现了一个这样的效果：

最右侧是最粗糙的也是亮的范围最大的，，左面的粗糙度依次减小

用胶囊体看的金属效果不是很明显（柔光较明显），各位可以用不同的模型试试

全代码如下：

Shader "Custom/testShader" {Properties {_MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)_MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}_RoughnessTex ("Roughness texture", 2D) = "" {}_Roughness ("Roughness", Range(0,1)) = 0.5//表面粗糙度 贴图_SpecularColor ("Specular Color", Color) = (1,1,1,1)//高光颜色_SpecPower ("Specular Power", Range(0,30)) = 2//高光强度_Fresnel ("Fresnel Value", Range(0,1.0)) = 0.05}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 200CGPROGRAM#pragma surface surf MetallicSoft#pragma target 3.0//软金属sampler2D _MainTex;sampler2D _RoughnessTex;//表面粗糙度 贴图float _Roughness;//表面粗糙度 值float _Fresnel;float _SpecPower;float4 _MainTint; float4 _SpecularColor;//viewDir 意为World Space View Direction。就是当前坐标的视角方向//N normal      //V view     //L light       //H  半角向量用来计算镜面反射（specular reflection）的中间方向矢量（halfway vector）inline fixed4 LightingMetallicSoft(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir,half3 viewDir, fixed atten){float3 halfVector = normalize(lightDir+ viewDir);//normalize转化成单位向量float NdotL = saturate(dot(s.Normal, normalize(lightDir)));//入射光与表面法线向量的点积当作漫反射光照强度因子float NdotH_raw = dot(s.Normal, halfVector);//两个单位向量的点积得到两个向量的夹角的cos值float NdotH = saturate(/*NdotH_raw*/dot(s.Normal, halfVector));//如果x小于0返回 0;如果x大于1返回1;否则返回x;把x限制在0-1float NdotV = saturate(dot(s.Normal, normalize(viewDir)));float VdotH = saturate(dot(halfVector, normalize(viewDir)));float geoEnum = 2.0 * NdotH;float3 G1 = (geoEnum * NdotV) / NdotH;float3 G2 = (geoEnum * NdotL) / NdotH;float3 G =  min(1.0f, min(G1, G2));//取小的float roughness = tex2D(_RoughnessTex, float2(NdotH_raw * 0.5 + 0.5, _Roughness)/*uv*/).r;float fresnel = pow(1.0-VdotH, 5.0);//pow()函数:求x的y次方(次幂)fresnel *= (1.0 - _Fresnel);fresnel += _Fresnel;float3 spec = float3(fresnel * G * roughness * roughness) * _SpecPower;float4 c;c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL)+  (spec * _SpecularColor.rgb) * (atten * 2.0f);//_LightColor0场景中平行光的颜色c.a = s.Alpha;return c;}struct Input {float2 uv_MainTex;};void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _MainTint;o.Albedo = c.rgb;o.Alpha = c.a;}ENDCG} FallBack "Diffuse"}

                                                                                                                             -------by  wolf96