Cg 程式設計/Unity/平滑鏡面反射
本教程涵蓋逐畫素光照（也稱為Phong 著色）。
它基於“鏡面反射”部分。如果你還沒有閱讀過該教程，你應該先閱讀它。
逐頂點光照（即計算每個頂點的表面光照，然後插值頂點顏色）的主要缺點是質量有限，特別是對於鏡面反射，如左側圖所示。解決方法是逐畫素光照，它根據插值的法線向量計算每個片段的光照。雖然生成的影像質量明顯更高，但效能成本也很高。
逐畫素光照也稱為 Phong 著色（與逐頂點光照相反，逐頂點光照也稱為 Gouraud 著色）。不要與 Phong 反射模型（也稱為 Phong 光照）混淆，後者透過環境、漫射和鏡面項計算表面光照，如“鏡面反射”部分所述。
逐畫素光照的核心思想很容易理解：法線向量和位置被插值到每個片段，並在片段著色器中計算光照。
除了最佳化之外，基於逐頂點光照的著色器程式碼實現逐畫素光照是直觀的：光照計算從頂點著色器移到片段著色器，頂點著色器必須將光照計算所需的頂點輸入引數寫入頂點輸出引數。然後，片段著色器使用這些引數來計算光照。就是這樣。
在本教程中，我們根據“鏡面反射”部分中的著色器程式碼來調整逐畫素光照。結果如下
Shader "Cg per-pixel lighting" {
Properties {
_Color ("Diffuse Material Color", Color) = (1,1,1,1)
_SpecColor ("Specular Material Color", Color) = (1,1,1,1)
_Shininess ("Shininess", Float) = 10
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }
// pass for ambient light and first light source
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
uniform float4 _LightColor0;
// color of light source (from "Lighting.cginc")
// User-specified properties
uniform float4 _Color;
uniform float4 _SpecColor;
uniform float _Shininess;
struct vertexInput {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct vertexOutput {
float4 pos : SV_POSITION;
float4 posWorld : TEXCOORD0;
float3 normalDir : TEXCOORD1;
};
vertexOutput vert(vertexInput input)
{
vertexOutput output;
float4x4 modelMatrix = unity_ObjectToWorld;
float4x4 modelMatrixInverse = unity_WorldToObject;
output.posWorld = mul(modelMatrix, input.vertex);
output.normalDir = normalize(
mul(float4(input.normal, 0.0), modelMatrixInverse).xyz);
output.pos = UnityObjectToClipPos(input.vertex);
return output;
}
float4 frag(vertexOutput input) : COLOR
{
float3 normalDirection = normalize(input.normalDir);
float3 viewDirection = normalize(
_WorldSpaceCameraPos - input.posWorld.xyz);
float3 lightDirection;
float attenuation;
if (0.0 == _WorldSpaceLightPos0.w) // directional light?
{
attenuation = 1.0; // no attenuation
lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
}
else // point or spot light
{
float3 vertexToLightSource =
_WorldSpaceLightPos0.xyz - input.posWorld.xyz;
float distance = length(vertexToLightSource);
attenuation = 1.0 / distance; // linear attenuation
lightDirection = normalize(vertexToLightSource);
}
float3 ambientLighting =
UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * _Color.rgb;
float3 diffuseReflection =
attenuation * _LightColor0.rgb * _Color.rgb
* max(0.0, dot(normalDirection, lightDirection));
float3 specularReflection;
if (dot(normalDirection, lightDirection) < 0.0)
// light source on the wrong side?
{
specularReflection = float3(0.0, 0.0, 0.0);
// no specular reflection
}
else // light source on the right side
{
specularReflection = attenuation * _LightColor0.rgb
* _SpecColor.rgb * pow(max(0.0, dot(
reflect(-lightDirection, normalDirection),
viewDirection)), _Shininess);
}
return float4(ambientLighting + diffuseReflection
+ specularReflection, 1.0);
}
ENDCG
}
Pass {
Tags { "LightMode" = "ForwardAdd" }
// pass for additional light sources
Blend One One // additive blending
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
uniform float4 _LightColor0;
// color of light source (from "Lighting.cginc")
// User-specified properties
uniform float4 _Color;
uniform float4 _SpecColor;
uniform float _Shininess;
struct vertexInput {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct vertexOutput {
float4 pos : SV_POSITION;
float4 posWorld : TEXCOORD0;
float3 normalDir : TEXCOORD1;
};
vertexOutput vert(vertexInput input)
{
vertexOutput output;
float4x4 modelMatrix = unity_ObjectToWorld;
float4x4 modelMatrixInverse = unity_WorldToObject;
output.posWorld = mul(modelMatrix, input.vertex);
output.normalDir = normalize(
mul(float4(input.normal, 0.0), modelMatrixInverse).xyz);
output.pos = UnityObjectToClipPos(input.vertex);
return output;
}
float4 frag(vertexOutput input) : COLOR
{
float3 normalDirection = normalize(input.normalDir);
float3 viewDirection = normalize(
_WorldSpaceCameraPos - input.posWorld.xyz);
float3 lightDirection;
float attenuation;
if (0.0 == _WorldSpaceLightPos0.w) // directional light?
{
attenuation = 1.0; // no attenuation
lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
}
else // point or spot light
{
float3 vertexToLightSource =
_WorldSpaceLightPos0.xyz - input.posWorld.xyz;
float distance = length(vertexToLightSource);
attenuation = 1.0 / distance; // linear attenuation
lightDirection = normalize(vertexToLightSource);
}
float3 diffuseReflection =
attenuation * _LightColor0.rgb * _Color.rgb
* max(0.0, dot(normalDirection, lightDirection));
float3 specularReflection;
if (dot(normalDirection, lightDirection) < 0.0)
// light source on the wrong side?
{
specularReflection = float3(0.0, 0.0, 0.0);
// no specular reflection
}
else // light source on the right side
{
specularReflection = attenuation * _LightColor0.rgb
* _SpecColor.rgb * pow(max(0.0, dot(
reflect(-lightDirection, normalDirection),
viewDirection)), _Shininess);
}
return float4(diffuseReflection
+ specularReflection, 1.0);
// no ambient lighting in this pass
}
ENDCG
}
}
Fallback "Specular"
}
請注意，頂點著色器將歸一化向量寫入output.normalDir，以確保所有方向在插值中都被同等權重。片段著色器再次對其進行歸一化，因為插值後的方向不再是歸一化的。
恭喜，現在你知道了逐畫素 Phong 光照是如何工作的。我們已經看到
- 為什麼逐頂點光照提供的質量有時不足（特別是由於鏡面反射）。
- 逐畫素光照的工作原理以及如何根據逐頂點光照的著色器來實現它。
如果你還想了解更多
- 關於逐頂點光照的著色器版本，你應該閱讀“鏡面反射”部分.
除非另有說明，本頁面上的所有示例原始碼均授予公有領域。