【UnityShader】基础光照类型

综述

1. 标准光照模型仅仅是一个经验模型，并不完全复合真实世界中的光照现象。
2. 计算光照模型时，需要统一各个方向矢量所在的座标空间，且方向都是从该点指向其他处的。
3. 渲染包含了两大部分：决定一个像素的可见性，决定这个像素上的光照计算。而光照模型是用于决定在一个像素上进行怎样的光照计算。
4. 如何量化光？
     在光学中，使用辐照度来量化光。对于平行光来说，它的辐照度可通过计算在垂直于 l（光照方向）的单位面积上单位时间穿过的能量来得到。
     在计算光照模型时，需要知道一个物体表面的辐照度，而物体表面往往是和 l 不垂直的，可以使用光源方向 l 和表面法线 n 之间夹角的余弦值来得到。需要注意的是，这里默认方向矢量的模都为 1。
5. 根据入射光线的数量和方向，可以计算出出射光线的数量和方向，使用出射度来描述它。辐照度和出射度之间是满足线性关系的，而它们之间的比值就是材质的漫反射和高光反射属性。
6. 着色
     着色指的是根据材质属性（如漫反射属性等）、光源信息（如光源方向、辐照度等），使用一个等式去计算沿某个观察方向的出射度的过程。这里使用的等式也被称为光照模型（Light Model）。
     在渲染中，通常会基于表面的入射光线的入射辐射率 Li 来计算出射辐射率 Lo。这个过程往往被称为是着色过程。
7. BRDF 光照模型
     当给定模型表面上的一个点时，BRDF 包含了对该点外观的完整的描述。在图形学中，BDRF 大多使用一个数学公式来表示，并提供了一些参数来调整材质属性。通俗来讲，当给定入射光线的方向和辐照度后，BDRF 可以给出某个出射方向上的光照能量分布。

准光照模型

1. 标准光照模型只关心直接光照，也就是那些直接从光源发射出来照射到物体表面后，经过物体表面的一次反射直接进入摄像机的光线。
2. 它的基本方法是，把进入到摄像机内的光线分为 4 个部分，每个部分使用一种方法来计算它的贡献度。

自发光（C_emissive）

  这部分用于描述当给定一个方向时，模型表面会向该方向发射多少的辐射量。当没有使用全局光照时，这些自发光表面不会照亮周围物体，只是本身看起来更亮而已。

高光反射（C_specular）

  这个部分用于描述当光线从光源照到模型表面时，模型镜面反射产生的光。

漫反射（C_diffuse）

  这个部分用于描述当光线从光源照到模型表面时，模型向各个方向产生的光。

环境光（C_ambient）

  这个部分用来描述其他间接的光。

标准光照模型公式

环境光

  虽然标准光照模型的重点在于描述直接光照，但在真实的世界中，物体也可以被间接光照所照亮。间接光照指的是，光线通常会在多个物体之间反射，最后进入摄像机。也就是说，在光线进入摄像机之前，经过了不止一次的物体反射。例如，在红地毯上放置一个浅灰色的沙发，那么沙发底部也会有红色，这些红色是由红地毯反射了一部分光线，在反弹到沙发上的。
  在标准光照模型中，使用环境光部分来近似模拟间接光照。环境光通常是一个全局变量，即场景中的所有物体都是用这个环境光。
  Unity -> Window -> Rendering -> Light Setting 中设置。
  内置变量 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 可以得到环境光的颜色和强度信息。

自发光

  光线可以直接由光源发射进入摄像机，而不需要经过任何物体的反射。标准光照模型使用自发光来计算这部分的贡献度。它的计算比较简单，直接使用该材质的自发光颜色。
  计算自发光，只需要在片元着色器最后输出的颜色之前，把材质的自发光颜色添加到输出颜色上即可。

漫反射

  漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。这种反射的光称为漫射光。很多物体，如植物、墙壁、衣服等，其表面粗看起来似乎是平滑，但用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方向。
  漫反射光照符合兰伯特定律：反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比。漫反射部分的计算如下：

C_diffuse = (C_light*M_diffuse)max(0,n*l) 参数：
  n 表面法线
  I 指向光源的单位矢量
  M_diffuse 材质的漫反射颜色
  C_light 光源颜色
  max 防止物体被从后面来的光源照亮

高光反射

  经验模型，它并不完全符合真实世界中的高光反射现象。它可用于计算那些沿着完全镜面反射方向被反射的光线（物体直接反射光源），他可以让物体看起来是光泽的，例如金属材质。

Phong 模型计算高光反射的部分：

C_specular = (C_light * M_specular)max(0, v*r)^M_gloss 参数：
  M_gloss 光泽度，反光度，控制高光区域的大小，值越大，亮点越小
  M_specular 材质的高光反射颜色，它用于控制该材质对于高光反射的强度和颜色
  C_light 光源颜色和强度
  v 是视角方向
  r 是反射方向，可以通过计算反射方向的函数
    r = reflect(I,n)
      I，入射方向
      n 法线方向
      r = 2 (n * I)* n - I 菱形

Blinn 模型的公式

C_specular = (C_light * M_specular)max(0, n*h)^M_gloss 参数：
  h = normalize(v + I)

比较

  在硬件实现时，如果摄像机和光源距离模型足够远的话，Blinn模型会快于Phong模型，因为此时可以任务 v 和 I 都是固定值，因此 h 将是常量。但是当 v 和 I 不固定时，Phong模型可能反而更快一些

逐像素还是逐顶点?

逐顶点

• 顶点着色器中；
• 也被称为高洛德着色。在每个顶点上计算光照，然后会在渲染图元内部进行线性插值，最后输出成像素颜色；
• 优点：
  由于顶点数目往往远小于像素数目，因此逐顶点光照的计算量往往要小于逐像素光照；
• 缺点：
  1. 由于逐顶点光照依赖于线性插值来得到像素光照，因此，当光照模型中有非线性的计算（如计算高光反射时），逐顶点光照就会出问题。
  2. 由于逐顶点光照会在渲染图元内部对顶点颜色进行插值，这会导致渲染图元内部的颜色总是暗于顶点处的最高颜色值，这在某些情况下会产生明显的棱角现象。

逐像素

• 片元着色器中；
• 以每个像素为基础，得到它的法线，然后进行光照模型计算。这种在面片之间对顶点法线进行插值的技术被称为 Phong 着色。