高光反射 - UnityShader

高光反射分为两种实现

• 逐顶点高光反射（主要依靠顶点着色器，计算顶点的光照）
• 逐片元高光反射（主要依靠片元着色器，计算片元的光照）

Phong 模型
$$c_{specular}=(c_{light}\cdot m_{specular})(\hat{v}\cdot \hat{r}{)}^{m_{gloss}}\text{\hspace{1em}(1)}$$
$$\hat{r}=2(\hat{n}\cdot \hat{l})\hat{n}-\hat{l}\text{\hspace{1em}(2)}$$

$\hat{r}$ 为光线的反射对于法线的方向
$c_{light}$是光线的颜色，$m_{specular}$是材质的颜色，$v$是摄像机的观察方向

Blinn - Phong 模型
$$c_{specular}=(c_{light}\cdot m_{specular})(\hat{n}\cdot \hat{h}{)}^{m_{gloss}}\text{\hspace{1em}(1)}$$
$$\hat{h}=normalize(\hat{v}+\hat{l})\text{\hspace{1em}(2)}$$

参数与上面相同，h 为特殊的参数

代码包含了 漫反射，高光反射，环境光。这个代码是继续上次博客的代码 -> 漫反射-UnityShader

逐顶点高光反射

Shader "Lit/DiffuseLitShader1"
{
    Properties
    {
        _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256.0)) = 20
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
            
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include 
            #include 
            #include 

            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                fixed3 color : COLOR0;
            };

            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            //逐顶点漫反射
            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;
                //设置裁剪空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex.xyz);
                
                //得到环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;

                //从物体坐标的法向量变换到全局坐标的法向量
                float3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)).xyz;
                
                //光照方向
                fixed3 litDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos));
                
                //兰伯特定律 c = (c * m) max(0, dot(n.normalize, l.normalize)) = (c * m) * cos
                //fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, litDir));

                //半兰伯特定理 c = (c * m)(0.5 * cos + 0.5), 可实现暗部增强亮光
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * (dot(worldNormal, litDir) * 0.5 + 0.5);
                
                //高光反射 Phong 模型
                // fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-litDir, worldNormal));
                // fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);
                //
                // fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

                //高光反射 使用 Blinn - Phong 模型
                fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
                fixed3 halfDir = normalize(viewDir + litDir);
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
                
                o.color = ambient + diffuse + specular;

                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                return fixed4(i.color, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    
    FallBack "Specular"
}

逐片元高光反射

Shader "Lit/DiffuseLitShader2"
{
    Properties
    {
        _Diffuse("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
        _Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256.0)) = 20
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include 
            #include 
            #include 

            struct a2v
            {
                float4 pos : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float4 worldNormal : TEXCOORD0;
                float4 worldPos : TEXCOORD1;
            };

            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f o;
                
                //得到裁剪空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.pos.xyz);

                //获得世界空间的法向量，并保存在 uv 中
                o.worldNormal = float4(UnityObjectToWorldNormal(v.normal.xyz), 1.0);

                //获得模型的世界坐标
                o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.pos.xyz);

                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                //得到 ambient
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal.xyz);
                //gl 的 方向
                float3 litDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos.xyz));

                //使用 兰伯特定律
                //fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse * saturate(dot(i.worldNormal.xyz, litDir));

                //使用 半兰伯特定律
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse * (dot(worldNormal, litDir) * 0.5 + 0.5);

                //高光反射 使用 Phong 模型
                // fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-litDir, worldNormal));
                // fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.worldPos.xyz);
                //
                // fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

                //高光反射 使用 Blinn - Phong 模型
                fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos.xyz));
                fixed3 halfDir = normalize(litDir + viewDir);
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
                return fixed4(diffuse + ambient + specular, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    
    FallBack "Specular"
}

来源为 Unity Shader 入门精要这本书 - 高光反射的实现