理解光照模型

第三章理解光照模型

在前面的那些章节中，我们介绍了表面着色器并且还理解了如何修改一些物理属性(比如 Albedo 和 Specular )来模拟不同的材质。这些到底是如何工作的呢？每个表面着色器中最重要的部分一一 光照模型lighting model 。它的功能就是接受这些参数然后计算每一个像素点的最终着色。Unity通常会对开发者隐藏这部分，因为如果想要编写一个光照模型的话，你就必须要去理解光在物体表面是如何反射和折射的。这个章节中我们会毫无保留的向你展示光照模型是如何工作的，并且给你介绍一些你自己创建光照模型所需要的一些基础知识。

这一章中，我们会学习下面所列的知识点：

创建一个自定义的漫反射光照模型
创建一个Toon风格的着色器
创建一个Phong类型类型的高光反射着色器
创建 BlinnPhong 类型的高光反射着色器
创建各向异性类型的高光反射着色器

介绍
想要模拟光的工作方式是一项非常具有挑战性的工作，同时也非常消耗计算资源。在之前的很早一段时间内，游戏中使用的都是一些非常简单的光照模型，效果看起来差到难以置信。尽管现在的3D游戏引擎已经使用了基于物理原理的渲染器，但是有些更简单的光照模型技术还是值得我们去探索的。但有时，我们不得不面对资源紧张的现实，没有办法在这些资源有限的设备上完整实现光照模型，比如我们的移动设备。所以你想在这上面实现自己的光照模型，那么你就很有必要了解这些简单的光照模型。

创建一个自定义的漫反射光照模型

如果你对Unity4很了解的话，你应该知道Unity提供的默认的着色器是基于一个叫 Lambertian reflectance 的光照模型。我们会在这个知识点向你展示如何创建一个自定义的光照模型，并且解释它后面的数学原理和实现方式。下面的两张图分别展示了 标准着色器Standard Shader (右) 和 diffuse Lambert 着色器对同一个几何体进行渲染后，不同的显示效果：

diagram

基于 Lambertian reflectance 光照模型的着色器是典型的非真实渲染着色器；我们现实生活中没有物体会看起来像那样。然而Lambert 着色器依然能在一些低多边形风格的游戏中经常看到，因为跟一些复杂的几何体比起来，它们的三角面数量对比非常明显。用于计算 Lambertian 反射的光照模型非常高效，这特别适合移动端的游戏。

Unity其实已经提供了光照函数给我们，好让我们能在着色器中使用。它就是 Lambertian 光照模型。它是光反射模拟的一种更基础更有效率的形式，你能在当今的很多游戏中看到它的存在。因为它们已经内建在了Unity的表面着色器语言中，所以我从这个开始和基于它开始构建也不失为一个好的选择。你也可以在Unity用户手册中找到一个例子，但我们还是会更深入学习，从而向你解释这些数据是从哪里来的以及为什么它是那样工作的。这些可以为设置光照模型打下一个很好的基础，这些知识将来也能在后面的章节中对我们有帮助。

始前准备
让我们从实现下面几个步骤开始：
1. 创建一个新的着色器并且给它命名好。
2. 创建一个新的材质球，命名好，并且把上一步新建的着色器应用于该材质。
3. 接下来，创建一个球形对象，并且把它大致放在场景中间的位置。
4. 最后，我们创建一个方向光源，让光找到游戏对象上。
当你在Unity中设置好这些资源后，你就会有一个类似于下图的场景：
- 操作步骤
  Lambertian 反射可以在着色器中修改下面的代码实现：
  1. 首先在着色器的 属性Properties 块中添加下面的属性：
```
_MainTex("Texture", 2D) = "white"
```
  1. 修改着色器的 #pragma 指示符，从而让着色器使用我们自定义的光照模型，而不是 标准Standard ：
```
#pragma surface surf SimpleLambert
```
  1. 使用一个非常简单的 表面函数surface function ，这个函数仅仅通过它的UV数据对纹理进行采样：
```
void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
{
    o.Albedo = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;
}
```
  1. 添加一个叫做 LightingSimpleLambert() 的函数，这个函数包含了下面实现 Lambertian 反射的代码：
```
half4 LightingSimpleLambert(SurfaceOutput s,half3 lightDir,half atten)
{
    half NdotL = dot(s.Normal,lightDir);
    half4 c;
    c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (NdotL*atten*1);
    c.a = s.Alpha;
    return c;
}
```

原理介绍
如我们前面第一章， 创建你的第一个着色器 所看到的那样， #pragma 指示用于指定我们该用哪个表面函数。选择不同的光照模型都是按照下面同一种方法：SimpleLambert 会强制Cg 去寻找一个叫做 LightingSimpleLambert() 函数。注意开始前面的 Lighting ，只是在指示中被省略了。
这个光照函数接收3个参数：表面输出结构体 surface output (它包含了物理属性比如 albedo 和 transparency )，光照照进来的方向 direction 和光的衰减 attenuation 。
根据 Lambertian 反射原理, 表面反射光线的数量由表面法线跟入射光线的夹角决定。如果你玩过台球，那么你应该对这个概念比较熟悉；球的方向由球的入射方向跟球桌对应边缘的夹角决定。如果你以90度击球，这个球会垂直返回；如果你以一个非常小的角度击球，球的方向几乎改变很少。 Lambertian 光照模型跟这个很像；如果光以90度的方式照到一个三角面上，所有光线都会被反射回来。入射的角度越小，返回来的光线也会越少。下面的图片解释了这个概念：
把这个简单的概念转换成数学概念。在向量代数中，两个单位向量的夹角可以通过 点积dot product 计算。当点积的值为零，两个向量垂直，也就是说它们之间的夹角是90度。当点积为1(或或者-1)时，那么这连个向量相互平行。在Cg语言中的函数 dot() ，以极其高效的方式实现了点积。
下图展示了一束阳光照射到了一个复杂的表面。 L 指光的方向(就是着色器中的 lightDir )， N 是表面的法线。光线以相同的角度反射，反射角跟入射角相同： Lambertian 反射简单的使用 NdotL 点积作为光强度的相乘的系数：
I = N * L
当 N 跟 L 平行的时候，光线会反射回来，从这个角度看这个几何图形会非常的亮。_LightColor0 这个变量包含了对光进行计算后的到的颜色。
注意
Unity5之前的引擎，光强( intensity of the lights )是不一样的。如果你使用的是基于 Lambertian 反射模型的旧的漫反射着色器，你会发现 NdotL 乘了两个参数：是 (NdotL * atten * 2) 而不是 (NdotL * atten)。如果你从Unity4中导入的自定义的着色器，需要你手动纠正这点。而Unity自带的一些老的着色器在设计的时候已经考虑到这点了，帮你纠正了。
当点积是负数的时候，这个光是来自三角面的背面。这对不透明的几何体没有问题，因为摄像机只会渲染朝前面向摄像机的三角面，否则就会被剔除，不去渲染。
这个基本的 Lambert 光照模型很适合用于构建自己的着色器原型，因为它已经有了着色器中光照模型的核心功能。
Unity已经为我们创建 Lambert 光照模型提供了原型。在你的Unity安装目录下的 Editor/Data/CGIncludes 文件夹内照到 UnityCG.cginc 文件，会发现其实已经有 Lamber 和 BlinnPhong 光照模型了。当你使用 #pragma surface surf Lambert 指示编译着色器时，等于是告诉着色器请使用Unity提供的 UnityCG.cginc 文件中的 Lambert 光照模型，这样我们就不用重复造轮子。我们会在这章的稍后部分探索 BlinnPhong 光照模型。

第三章 理解光照模型#

创建一个自定义的漫反射光照模型#

第三章理解光照模型

创建一个自定义的漫反射光照模型