1. Unity中的基本光照

光线是如何产生的，光源发射光，一些物体与光交互，吸收一些光，散射一些光，而摄像机吸收一些光，形成了图像。在光学中，使用辐照度（irradiance)来量化光。

那么如何计算辐照度呢？

辐照度与照射到物体表面光线之间的距离d/cosx成反比。

当光垂直下落cosx=1,那么距离为d

当光与竖直方向呈x度角，距离为d/cosx

其中x可以由表面法线n和光源方向l的点积得到。

1.1 光与物体相交一般两种结果：散射与吸收

散射（scatering)只改变光线方向，不改变光线的密度和颜色。

散射的光线一般有两种方向，一种是向物体内部散射，叫做折射（refraction)或透射（transmission);

另一种是反射（reflection)到外部。

吸收（absorption) 则相反，只改变光线密度和颜色。对于不透明物体向物体内部折射时，一部分被吸收，一部分与内部粒子相交并反射出去

为了区分两种散射，用高光反射（specular)和漫反射（diffuse)分别表示物体如何反射以及计算多少光线折射、吸收(absorption)、反射出表面。

根据光线的入射方向和入射量可以得到出射方向和出射量，称之为出射度（exitance)

辐照与出射成线性关系，比值为漫反射和高光。

着色

根据一系列的信息得到计算出射度的等式，也即光照模型。（lighting model )

标准光照模型

自发光（emissive) 光线直接由光源进入摄像机，直接用材质的自发光颜色。
高光反射（specular)
漫反射（diffuse)

漫反射光照符合兰伯特定律 (Lambert's law): 反射光线的强度与表面法线和光源方向之间角的余弦值成正比。因此，漫反射部分的计算如下

c light 和 m diffuse 分别表示光源颜色和漫反射颜色
环境光（ambient) 一般是全局变量

1.2 基本光照模型

逐顶点计算漫反射

漫反射光照符合兰伯特定律 (Lambert's law): 反射光线的强度与表面法线和光源方向之间

角的余弦值。因此，漫反射部分的计算如下

c_diffuse=( light * m_diffuse) max( n . I )

中， n是表面法线,I 是指向光源的单位矢量 ,m_diffuse 是材质的漫反射颜色 ,light 是光源颜色。

需要注意的是我们需要防止法线和光源方向点乘的结果为负值，为此我们使用取最大值的函数来将其截取到 o, 这可以防止物体被从后面来的光源照亮。

以下为具体代码

//顶点着色器代码
          v2f vert(a2v v){
              v2f o;   //用于输出

              //将顶点信息从模型空间传递到投影空间
              o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);

              //获取环境光
              fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

              //将法线从模型空间传递到世界空间,
              fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal,(float3x3)_World2Object));

              //获取世界空间的光照方向
              fixed3 worldLight = normalizze(_WorldSpaceLightPos0.xyz); //只有一个光源且为平行光才有用

              //计算漫反射  saturate：饱和,用于将数据截取到【0，1】之间
              fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLight));

              o.color = ambient + diffuse;

              return o;
          }

详情见P128.

矩阵变换见P86

要注意，非统一缩放，经计算得知会导致，法线不再垂直，所以不能用M(A-B)矩阵

需要用变换矩阵的逆转置矩阵

结论

1.进行漫反射计算，需要法线，光照，但是需要两者在同一空间下，这里是世界空间，并且法线变换不同于顶点变换

法线变换mv方法

//右乘mv逆矩阵
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal,(float3x3)_World2Object));
//因为左乘逆转置矩阵，
//it为逆转置，其实对于正交来说，等于原来变换矩阵，但不是正交矩阵，会出现上述法线问题

2.一个矩阵可以左乘达成mv变换，那么它的逆矩阵就可以达成vm变换；逆=换方向，转=换位置

逐像素计算漫反射

类似于顶点

Shader "Unity Shaders Books/Chapter6/Pixel_Level"{
     Properties{
        //初始化Color属性,得到并控制漫反射颜色,设置为白色
        _Diffuse("Diffuse",Color)=(1,1,1,1)

    }
    SubShader{
        // Tags { "RenderType"="Opaque" }
        //顶点片元着色器代码要写在pass通道中
        Pass{
            //正确定义lightmode才可以得到unity内置光照变量，该Tag用于定义pass的角色
            Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "Lighting.cginc"
            //获取properties中的变量
            fixed4 _Diffuse;

            //定义顶点着色器的输入输出结构体,同时输出也是片元的输入
            struct a2v{
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal :NORMAL;  //将模型顶点法线信息保存
            };
            
            struct v2f{
                float4 pos : SV_POSITION;
                fixed3 worldNormal : TEXCOORD0;  //将光照颜色传递给片元着色器，也可以用 XCOORDO 语义。
            };



            //顶点着色器代码,由于顶点着色器不参加计算，只要获取到坐标和世界法线
            v2f vert(a2v v){
                v2f o;   //用于输出

                //将顶点信息从模型空间传递到投影空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // //获取环境光
                // fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                //将法线从模型空间传递到世界空间
                fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject));
                // //获取世界空间的光照方向
                // fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); //只有一个光源且为平行光才有用
                // //计算漫反射  saturate：饱和
                // fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLight));
                // o.color = ambient + diffuse;

                return o;
            }

            //逐像素计算
            fixed4 frag(v2f i) :SV_TARGET{
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                //法线
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
                //获取光照方向
                fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                //计算漫反射
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLightDir));
                fixed3 color = ambient + diffuse;
                
                return fixed4(color,1.0);
            }
            ENDCG
        }
         
    }
    Fallback "Diffuse"
}

但是结果全黑

在片元着色器计算结果更加平滑，但是光照不到的地方全黑；

全黑可以通过添加环境光

但是背光区却和向光区明暗一致，这时可以用半兰伯特模型

2. Unity Complex Light(复杂光照)

2.1 渲染路径（Rendering Path)

额外参考：

前向渲染（Forward Rendering）和延迟渲染（Deferred Rendering）-CSDN博客

分为前向渲染路径，延迟渲染路径(更新），顶点渲染路径（弃用不介绍）

大多数情况下一个项目只使用一种渲染路径。也可以为不同相机设置不同路径。

在shaderlab中Pass中设置对应路径，lightMode告诉引擎程序员所需的光照属性，正确设置，才能适配不同流程获得的光照信息

2.1.1 前向渲染路径

每进行一次前向渲染，需要渲染图元，并计算颜色缓冲和深度缓冲的信息
如果物体受到多个光源照射，就要写多个Pass,然后在帧缓冲中将这些光照结果混合。
前向渲染中，光照类型（平行光parallel light或其他）+光照渲染模式决定了处理光照（照亮物体）的方式。

前向渲染光照处理方式分为逐像素，逐顶点、sh球谐函数计算 三种方法。在Light组件的RenderMode设置。

RenderMode 设置为important为逐像素，后二者则是Not important

2.1.2 延迟渲染路径

前向渲染的问题是当场景中包含大量实时光源时，前向渲染的性能会急速下降。

延迟渲染主要包含了两个 Pass 。在第一 Pass 中，我们不进行任何光照计算，而是仅仅计算

哪些片元是可见的，这主要是通过深度缓冲技术来实现，当发现一个片元是可见的，我们就把它

的相关信息存储到缓冲区中。然后，在第二个 Pass 中，我们利用缓冲区的各个片元信息，

例如表面法线、视角方向、漫反射系数，进行真正的光照计算

其它

Unity光源类型

1.平行光、点光源、面光源和聚光灯，面光源只在烘焙时才会产生作用

2.当RenderMode是Auto,Unity自动判断哪些光源逐像素，哪些顶点、sh计算。

3.最亮的平行光是按照逐像素计算，而Auto状态下最多除平行光源外4个逐像素计算，这些在addtional pass中计算

最常用的光源属性有：位置、方向、颜色、强度、衰减

光照衰弱

//使用纹理来计算衰弱值
fixed atten = tex2D(_ ghtTextureO, dot(lightCoord, lightCoord) .rr) .UNITY_ATTEN_CHANNEL;

//使用数学公式进行线性衰弱值计算
float distance = length (_WorldSpaceLightPosO . xyz - i. worldPosi on.xyz);
atten = 1.0 // distance; // linear attenuation

Unity阴影

1.如果最重要的平行光开启了阴影，那么Unity会为这个光源生成阴影纹理图，一种由光源出发的深度图。

2.另取一个LightMode为ShadowCaster的Pass,Unity会将摄像头放到光源的地方

3.一个物体想要接收阴影，那么在shader中要对纹理采样；相同地，一个物体想要投射阴影，就要参与纹理计算

见P200

如何让正方体接收阴影

SHADOWCOORD,TRANSFER_SHADOW,SHADOW_ATTENUATION分别在v2f,vert,frag中调用

实现接收阴影

1
2
3

SHADOW_COORDS(2)
TRANSFER_SHADOW(o);
fixed shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);

光照衰减和阴影的效果是一样的，于是就有了统一光照衰弱和阴影

unity提供一个方法同时管理这两者

UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten,i,i.worldPos);

透明物体的阴影

在AlphaTest的基础上使用上述方法