unity中光照模型和光照計算

光源類型

• 方向光：Directional
• 點光源：Point
• 聚光燈：Spot

光照模型

每一種類型的光源都可能同時會有以下光照模型：
- Diffuse：漫反射
- Specular：鏡面反射

光照衰減

• 方向光：沒有衰減
• 點光源
  
  • 距離衰減：光源有光照範圍[near,far]，在near距離內的光照係數爲1，在far距離外的光照係數爲0，在該兩者之間的頂點會隨距離進行衰減，光照強度與距離的平方成反比。Unity中的計算方式爲：DisAtten = 1/(1 +atten*atten * dis * dis)，其中atten是衰減係數，dis是到光源的距離
• 聚光燈
  
  • 距離衰減：與點光源一樣
  • 聚光衰減：除了距離衰減，聚光燈還有圓錐內的衰減。聚光燈的光照區域是個圓錐體，該圓錐體有外錐角A和內錐角B，在內錐角內的頂點無聚光衰減，在外錐角外的點無光照效果，光照係數。在內外錐角之間的頂點會進行衰減。假設頂點與光照方向的夾角爲C。則其聚光衰減係數爲：Spot = (cos(C/2) - cos(A/2)) / (cos(B/2) - cos(A/2))
  • 最終的衰減係數爲：FinalAtten = DisAtten * SpotAtten。

光照計算

最終光照結果是所有光照成分的總和 = 環境光 + 自發光+ sum(漫反射)+sum(鏡面反射)。

• 環境光：AmbitentColor * AmbientMaterial * AmbientIntensity
• 自發光：EmissionColor * EmissionIntensity
• 漫反射：LightColor * DiffuseMaterial * DiffuseIntensity * dot(N,L) 。N是法線方向，L是指向光源的方向向量。以下方式計算法線N和L的點積（即夾角餘弦）
• 鏡面反射：LightColor * SpecularMaterial * SpecularIntensity * pow(dot(R,V),shininess)，其中R是反射光的方向，V是頂點到眼睛的方向。
• 強度intensity默認都是1。SpecularMaterial默認都是1。
• 計算函數

@ lightPostion：平行光(-direction,0)    點光源和聚光燈(position,1)
@ lightColor：燈光顏色
@ eyePos：頂點在相機空間的座標
@ eyeyNormal：頂點在相機空間的法線
@ viewDir：頂點到相機的方向
@ diffuseMaterial：漫反射材質係數
@ specularMaterial：鏡面反射材質係數，unity中不設置，默認爲1
@ shininess：鏡面反射高亮度，[0,1]
@ atten：反射增強係數
@ specColor：鏡面反射結果
@ return：漫反射結果
half computeLighting(float4 lightPostion,half3 lightColor,
                float3 eyePos,half3 eyeNormal,half3 viewDir,
                half3 diffuseMaterial,half3 specularMaterial,half shininess,
                half atten,inout half3 specColor)
{

    float3 dirToLight = lightPostion //光照方向的反向
    if(lightPostion.w == 1)
    {
        dirToLight -= eyePos
        dirToLight = normalize(dirToLight)
    }
    half NdotL = max(dot(eyeNormal,dirToLight),0)
    half3 diffse = lightColor * diffuseMaterial * atten
    if(NdotL > 0)
    {
        half3 h = normalize(dirToLight + viewDir)
        half HdotN = max(dot(eyeNormal,h),0)
        half sp = saturate(pow(HdotN,shininess * 128))
        half3 specular = atten * lightColor * specularMaterial * sp
        specColor += specular
    }

    return diffse
}