unity3d Shader镜面高光反射(使用fresenl), bolinPhone是没有物理依据的
来源:互联网 发布:js 深拷贝 循环引用 编辑:程序博客网 时间:2024/06/08 08:10
原文地址:http://www.cnblogs.com/-867259206/p/5657110.html
Unity内置的高光函数
Unity内置了一种高光光照模型——BlinnPhone。
使用方法如下:
Shader "Custom/BlinnPhong"{ Properties { _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} _MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1) _SpecColor ("Specular Color", Color) = (1,1,1,1) _SpecPower ("Specular Power", Range(0,1)) = 0.5 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 200 CGPROGRAM #pragma surface surf BlinnPhong sampler2D _MainTex; float _SpecPower; float4 _MainTint; struct Input { float2 uv_MainTex; }; void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) { half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _MainTint; o.Specular = _SpecPower; o.Gloss = 1.0; o.Albedo = c.rgb; o.Alpha = c.a; } ENDCG } FallBack "Diffuse"}
使用内置的光照函数就是要在#pragma里声明它。
_SpecColor是Unity内置的一个变量,在Properties里声明是为了可以在Inspector面板里调节它,所以在后面我们没有使用这个变量。它控制高光的颜色。
BlinnPhone是Phone光照模型的改进,要学习这个光照模型先来学习Phone光照模型吧。
Phone光照模型
Phone光照模型就是叫Phone的人发明的光照模型。
代码如下:
Shader "Custom/Phong" { Properties { _MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {} _SpecularColor ("Specular Color", Color) = (1,1,1,1) _SpecPower ("Specular Power", Range(0.1,30)) = 1 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 200 CGPROGRAM #pragma surface surf Phong float4 _SpecularColor; sampler2D _MainTex; float4 _MainTint; float _SpecPower; inline fixed4 LightingPhong (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, half3 viewDir, fixed atten) { //Calculate diffuse and the reflection vector float diff = dot(s.Normal, lightDir); float3 reflectionVector = normalize((2.0 * s.Normal * diff) - lightDir); //Calculate the Phong specular float spec = pow(max(0,dot(reflectionVector, viewDir)), _SpecPower); float3 finalSpec = _SpecularColor.rgb * spec; //Create final color fixed4 c; c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * diff) + (_LightColor0.rgb * finalSpec); c.a = 1.0; 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"}
Phone光照模型分析
reflectionVector是反射光向量。float3 reflectionVector = normalize((2.0 * s.Normal * diff) - lightDir);
就是由法线、入射光向量求反射光向量的方法。
推导如下图:
后面计算反射向量和观察向量的点积时用max函数是为了背向视线的地方不至于太黑。
最后的颜色就是漫反射颜色加上镜面反射颜色。
BlinnPhone光照模型
BlinnPhone光照模型就是叫Blinn的人改进了Phone光照模型。
在CGIncludes文件夹下Lighting.cginc文件里有BlinnPhone光照函数的定义:
inline fixed4 UnityBlinnPhongLight (SurfaceOutput s, half3 viewDir, UnityLight light){ half3 h = normalize (light.dir + viewDir); fixed diff = max (0, dot (s.Normal, light.dir)); float nh = max (0, dot (s.Normal, h)); float spec = pow (nh, s.Specular*128.0) * s.Gloss; fixed4 c; c.rgb = s.Albedo * light.color * diff + light.color * _SpecColor.rgb * spec; c.a = s.Alpha; return c;}
h是半角向量。半角向量就是平分两个向量之间夹角的单位向量。两个向量相加,结果是两个向量构成的平行四边形的对角线,所以半角向量是两个向量相加。
BlinnPhone的改进就是不用反射向量去计算镜面反射,而是用入射光向量和观察向量的半角向量来代替计算。这一方法也是没有物理依据的,只是这样计算计算量更少而且效果差不多甚至更好。如今的着色器十有八九会使用它。
在这里Phone(左)和BlinnPhone(右)的对比:
使用贴图对模型的高光进行遮罩
使用高光贴图技术就是使用贴图来控制高光的颜色和强度。这里用到了自定义的SurfaceOutput,计算方法和Phone模型差不多,只是通过surf函数将高光遮罩贴图的像素信息传给了光照模型:
Shader "Custom/CustomPhone" { Properties { _MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1) _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {} _SpecularColor ("Specular Tint", Color) = (1,1,1,1) _SpecularMask ("Specular Texture", 2D) = "white"{} _SpecPower("Specular Power", Range(0.1, 120)) = 3 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 200 CGPROGRAM #pragma surface surf CustomPhong // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting #pragma target 3.0 sampler2D _MainTex; sampler2D _SpecularMask; float4 _MainTint; float4 _SpecularColor; float _SpecPower; struct Input { float2 uv_MainTex; float2 uv_SpecularMask; }; struct SurfaceCustomOutput { fixed3 Albedo; fixed3 Normal; fixed3 Emission; fixed3 SpecularColor; half Specular; fixed Gloss; fixed Alpha; }; inline fixed4 LightingCustomPhong(SurfaceCustomOutput s, fixed3 lightDir, half3 viewDir, fixed atten) { // Calculate diffuse and the reflection vector float diff = dot(s.Normal, lightDir); float3 reflectionVector = normalize(2.0 * s.Normal * diff - lightDir); // Calculate the Phong specular float spec = pow(max(0.0f, dot(reflectionVector, viewDir)), _SpecPower) * s.Specular; float3 finalSpec = s.SpecularColor * spec * _SpecularColor.rgb; // Create final color fixed4 c; c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * diff) + (_LightColor0.rgb * finalSpec); c.a = s.Alpha; return c; } void surf(Input IN, inout SurfaceCustomOutput o) { // Albedo comes from a texture tinted by color fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _MainTint; float4 specMask = tex2D(_SpecularMask, IN.uv_SpecularMask) * _SpecularColor; o.Albedo = c.rgb; o.Specular = specMask.r; o.SpecularColor = specMask.rgb; o.Alpha = c.a; } ENDCG } FallBack "Diffuse"}
金属与软高光
这一节,有点让人怕怕~
我们会用到的几张粗糙贴图:
先上完整代码吧:
Shader "Custom/MetalAndSoftSpec" { 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 _SpecularColor ("Specular Color", Color) = (1,1,1,1) _SpecPower ("Specular Power", Range(0,30)) = 2 _Fresnel ("Fresnel Value", Range(0,1.0)) = 0.05 } SubShader { Tags { "RenderType"="Opaque" } LOD 200 CGPROGRAM #pragma surface surf MetallicSoft #pragma target 3.0 sampler2D _MainTex; sampler2D _RoughnessTex; float _Roughness; float _Fresnel; float _SpecPower; float4 _MainTint; float4 _SpecularColor; inline fixed4 LightingMetallicSoft (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, half3 viewDir, fixed atten) { //Compute simple diffuse and view direction values float3 halfVector = normalize(lightDir + viewDir); float4 c; //c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * halfVector); //return c; float NdotL = saturate(dot(s.Normal, normalize(lightDir))); //c.rgb = s.Albedo*_LightColor0.rgb * NdotL; //return c; float NdotH_raw = dot(s.Normal, halfVector); float NdotH = saturate(dot(s.Normal, halfVector)); //c.rgb = s.Albedo*_LightColor0.rgb*NdotH; //return c; float NdotV = saturate(dot(s.Normal, normalize(viewDir))); float VdotH = saturate(dot(halfVector, normalize(viewDir))); //c.rgb = s.Albedo*_LightColor0.rgb*VdotH; //return c; //Micro facets distribution float geoEnum = 2.0*NdotH; float3 G1 = (geoEnum * NdotV)/NdotH; float3 G2 = (geoEnum * NdotL)/NdotH; float3 G = min(1.0f, min(G1, G2)); //Sample our Spceular look up BRDF float roughness = tex2D(_RoughnessTex, float2(NdotH_raw * 0.5 + 0.5, _Roughness)).r; //Create our custom fresnel value float fresnel = pow(1.0-VdotH, 5.0); fresnel *= (1.0 - _Fresnel); fresnel += _Fresnel; //Create the final spec float3 spec = float3(fresnel * G * roughness * roughness) * _SpecPower; //float4 c; c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * NdotL)+ (spec * _SpecularColor.rgb) * (atten * 2.0f); 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"}
看了有点头晕,没事,听我慢慢说。
_Roughness是粗糙度。用来控制高光的范围。越粗糙的物体高光范围越大,越光滑的物体高光越尖锐。漫反射的物体就是因为太粗糙了,高光范围大到看不见。
_Fresnel是菲涅尔系数。当我们正对着物体时,物体高光就变得很弱,几乎没有,比如正对水面的时候可以看见水底,侧着看的时候就能看见水面的波光。
让人头晕的就是光照函数了。里面注释掉的语句是我的调试,你们可以一层一层调试看看。(聪明的孩子都自己上机调试去了)
halfVector是半角向量。G是几何衰减系数,描述由于微平面(microfacets)产生的自投影。G和半角之间的代码就是用来求G的。这个算法叫Cook–Torrance。看下Wiki:
G的求法和代码中的求法是一样的。
至于这个算法的推导,搜索Cook Torrance可以找到。比如这篇:http://www.twinklingstar.cn/2013/213/torrance-sparrow-and-cook-torrance-light-model/ (我承认,我看了一眼就放弃了)后面一句是从粗糙纹理的R通道中获取粗糙度。因为粗糙贴图是黑白的,所以RGB三个通道的值都是相同的。NdotH_raw是原始的半角向量和法线的点积,乘0.5+0.5是为了让它的区间变为[0,1],因为纹理的坐标区间是[0,1],然后用粗糙度作为Y坐标,进行粗糙纹理的采样。
再后面是计算菲涅尔系数。菲涅尔系数的本质是反映被折射和反射的光通量的比率。这是菲涅尔系数的一个近似求法。它的求法属于物理学的内容,这是近似求法,精度在1%范围内。_Fresnel是我们在面板定义的一个变量。它是入射光接近0时(接近法线)的菲涅尔系数。关于它更详细的介绍,看这篇博文。
最后的反射变量就是菲涅尔系数乘几何衰减系数乘粗糙度的平方。最后的颜色等于漫反射颜色加镜面反射颜色。
其实Shader的学习是研究生阶段的课程,但是Unity让本科生也可以学一学。
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