unityShader前篇之光照模型

参考资料

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基本光照

固定管道使用的基本光照计算公式
surfaceColor = emissive + ambient + diffuse + specular
surfaceColor:最终颜色
emissive：自发光颜色
ambient：环境关颜色
diffuse：漫反射关颜色
specular：镜面高光颜色

光照计算

emissive = Ke
ke：材质的emissive颜色

自发光是在没有光照的情况下现在的颜色，光照计算直接就是该颜色想象一下在一个黑暗无光的背景，如果物体emissive=color（1，0，0，1），当前物体就显示出红色，surfaceColor = emissive + 0+ 0 + 0

ambient = Ka x globalAmbient
Ka：材质的ambient颜色
globalAmbient：全局环境光的颜色

diffuse = Kd x lightColor x max(N · L, 0)
kd:材质的漫反射颜色
lightColor ：漫反射光照颜色
N：物体表面法线
L：光照向量（是从表面位置指向光源位置的向量，与光的方向相反）
当N与L之间的夹角大于90度是值为负数，光照不能照到物体的背面故取值为0
其中向量全部归一化了

specular = Ks x lightColor x facing x (max(N · H, 0)) shininess
Ks ：材质的镜面反射颜色
lightColor：漫反射光照颜色
facing：默认为1，协调光照，相当于光照强度
N：物体表面法线
V：视角，物体到摄像机向量
L：光照向量（是从表面位置指向光源位置的向量，与光的方向相反）
H：H = V+L (N与L之间夹角中一半的向量);
shininess:高光级别值越大高光区域越小（是N*H的幂N*H的值在0-1）
其中向量全部归一化了

常用选项
其中emissive一般用于特殊效果，最常用的光照模型是排除他的及
surfaceColor = ambient + diffuse + specular
ambient ：一般在一个场景中就一个环境光
diffuse 与specular的光照颜色一般在同一个光源里面设置同样的颜色

上面提到的光照模型还没有计算衰减
方向光不需要衰减，点光源和聚光灯是需要衰减的

光照衰减

衰减公式 :attenuationFactor=1/(Kc+Kl*d+Kq*d^2)

Kc,Kl,Kq:衰减常量
d:当前光照点与光源的距离

平行光

光线是平行了如太阳关，距离太远了所以不需要衰减

点光源

直接在漫反射与镜面发生乘以衰减值attenuationFactor
公式:surfaceColor = emissive + ambient + (diffuse + specular)*attenuationFactor

聚光灯

D:光源方向
V:光源与光照点的向量
取舍：为聚关灯照射的角度一般取cos值
判断一点是否在聚关灯照射范围，取d,v之间的cos值（向量点积）与取舍值比较
if（dot(d,v)<取舍）
return false//不知光照范围
公式：
if（dot(d,v)<取舍）
return false//不在光照范围
else
surfaceColor = emissive + ambient + (diffuse + specular)*attenuationFactor

这样计算的光照在光照范围内是均匀的，而真实世界是有外围衰减的，我们将聚光灯分为两部分，内部光照强度不变，外表向外光照强度递减

使用hlsl及cg都提供的一个内置函数smoothstep（min,max,x）,计算0到1的平滑插值范围[min,max]小于min为0，打于max为1hlsl官网函数详情
计算公式为
if（dot(d,v)<取舍）
return false//不在光照范围
else
surfaceColor = emissive + ambient +
(diffuse + specular)*attenuationFactor*smoothstep（外部，内部，dot(d,v)）