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光照模型illumination model也称为明暗模型用于计算物体某点处的光强颜色值。从算法理论基础而言光照模型分为两类一种是基于物理理论的另一种是基于经验模型的。
基于物理理论的光照模型偏重于使用武力的度量和统计方法效果非常真实但是计算复杂实现起来也较为困难。
经验模型是对光照的一种模拟通过实践总结出简化的方法简化了真实光照计算并能达到不错的效果。 1.1 为什么需要光照模型
现实世界的光照是极其复杂的而且会受到诸多因素影响有限的计算能力无法完全模拟。使用简化的光照模型对现实的情况进行近似使得计算处理起来会更容易并且零效果更符合需求。这些光照模型就是基于我们对光的特性的理解。
1.2 光照模型的发展 二、局部光照模型的组成
定义局部光照模型只关心直接光照部分即直接从光源发出并照射到物体表面并反射至摄像头的光线。 组成 漫反射高光反射环境光自发光
漫反射
定义在光照模型的定义中当光线从光源照射到模型表面时光线均匀被反射到各个方向这种现象就是漫反射。在漫反射的过程中光线发生额了吸收和散射而因此改变颜色方向。
如何计算漫反射光照符合Lambert定律反射光强与法线和光源方向之间的夹角余弦值成正比。
基础理论在光学中通常使用辐射度来量化光。
其中光源每秒发出的能量为辐射通量P
单位面积接受的光量为辐射密度辐照度P/A
当光源垂直照射的单位面积的辐照度为E1 P/A1
将光束以某个角度照射到更大的平面上的辐射度为E2 P/A2 简洁的来说反射光线的强度与表面法线和光源方向之间的夹角的余弦成正比。 高光/镜面反射
定义当光线到达物体表面并发生了反射观察室现在反射光线的附近时便能够观察到高光反射。高光反射描述了光线与物体表面发生的反射光强不变方向改变。
高光反射的反射率水根据一种菲尼尔效应的物理现象决定的通常使用对应的反射贴图描述物体表面的反射率并且使用光泽度粗糙度反光度描述高光范围的大小。 环境光
定义在局部光照模型中由于没有考虑间接光照影响因此为了处理这种间接光照从而引入环境光。
计算 通常使用漫反射的反照率来只是环境光找的反射量个模型假定场景中发生多次散射和反射并在所有方向上均等的射向目标物体。
渲染结果 自发光
定义顾名思义物体自身发射的光线通常作为单独的一项加入光照模型一般使用一张发光贴图描述物体的自放光。 局部光照模型的整体效果 三、着色模型
1、Gourand模型逐顶点着色
定义以顶点为单位计算光量在通过差值得到每个像素点的光亮度。
在表现物体光滑性上有较好的表现但值不再是线性变化的时候比如镜面高光由于线性差值导致内插值不可能大于顶点值。因此高光只能出现在顶点。
由于使用的颜色差值会导致镜面高高蔓延到周边。
代码部分 是在定点着色器中计算的因为是逐顶点顶点颜色使用的是Phong模型的结果高光部分用的是观察方向和反射方向的余弦值计算完之后将它座位顶点所携带的颜色在片元/像素着色器中直接将顶点携带的颜色赋值给了返回颜色
最终效果 左边是Gourand模型 2、Flat模型
平面着色模型计算多边形的单个强度每个三角形只有一个法线方向。以相同的光强度值显示多边形的所有点。适用于lowpoly风格的场景。 四、经典光照模型
1、Lambert模型
光照公式 n表面法线
l指向光源的单位矢量
mdiffuse材质的漫反射颜色
clight光源颜色
防止法线和光源方向点乘的结果为负值为此使用取最大值的函数来将其截取到0这样可以防止物体被从后面来的光源照亮。
漫反射效果与观察者位置无关于光源位置有关。 代码部分 主光源入射光 * 漫反射材质的颜色 * 法线方向与光照方向的点积
渲染效果 可以看出漫反射至于光源和表面法线有关与观察者无关。 2、Phong模型 如何计算
在这四个矢量中我们实际上只需要知道其中3个矢量即可而第四个矢量——反射方向可以通过其他信息计算得到 r计算过程参考几何向量计算光线反射reflect向量_空间几何中怎么求入射光的反射向量_羊羊2035的博客-CSDN博客 mgloss材质的光泽度反光度它用于控制高光区域的“亮点”有多宽数值越大亮点越小。
mspecular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。
Clight光源的颜色和强度
r反射光线
v视线向量 反应了光泽度与高光反射的关系
光泽度渲染效果 最终计算公式 代码部分 unity的环境光宏 * 漫反射材质
最终渲染结果 3、Blinn-Phong模型
在Phong的基础上引入了一个新的矢量h他是通过v和l取平均后在归一化得到的。 然后使用n和h之间的夹角进行计算而非v和r之间的夹角。 计算公式 最终计算公式 代码部分 最终渲染结果 4、Phong和Blinn-Phong模型的区别
通过对Phong模型和Blinn-Phong模型公式对比可以知道公式的不同之处在于使用了半角向量与发现的点积结果。
半角向量的使用带来的变化 计算更加简洁半角向量的计算更加简洁当光源与视线都在表面之上时半角向量与发现的角度永远不大于90度
设想一种情况当材质的反光度非常低时因此物体被光线照射的大部分区域都会发生高光反射。这些去榆中的一部分高光部分的反射向量与视线的夹角超过了90度。此时如果使用Phong模型就会导致高光区域一部分发生缺失。这是由于Phong模型只会考虑实现与光照分布在法线两侧的情况。当时视线与光照在发现同侧时且高光反射对亮度有较大影响时就会发生断层。 五、光照模型展示 作业
说出能量守恒的理念在基础光照模型中的作用
我理解的在光照模型中的能量守恒理念就是光源所发出的能量光线经过物体多次表面反弹、散射、射入等后其能量总和不会发生变化。
能量守恒是PBR的一个重要概念。它可以保证美术合适的设置材质的反射率和albedo值而不破坏物理规则。虽然在着色系统中强制能量守恒的物理限制并不等价于最后好看的着色效果但起码可以使得渲染效果不至于背离物理规则太远保证在不同光照条件下物体的光照表现一致性。
基于能量守恒的理念自己写一套完整的光照模型需要包含环境光照
Shader Lpk/Blinn-Phong
{Properties{_Diffuse (Diffuse, Color) (1,1,1,1)_MainTex (Texture, 2D) white{}_NormalMap (Normal, 2D) pink{}_LocalNormalScale (LocalNormal,Range(0,1)) 0_Specular (SpecularColor, Color) (1,1,1,1)_Gloss (Gloss, Range(1.0,255)) 20_CubeMap (Env map,CUBE) {}_EnvScale (Env Scale,Range(0,1)) 1}SubShader{Tags { RenderTypeOpaque }Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag//引入头文件#include UnityCG.cginc#include Lighting.cgincstruct appdata{float4 vertex : POSITION;float2 uv0 : TEXCOORD0;float2 uv1 : TEXCOORD1;float3 normal : NORMAL;float4 tangent : TANGENT;};struct v2f{float2 uv0 : TEXCOORD0;float2 uv1 : TEXCOORD1;float4 vertex : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD2;float3 tangentNormal : TEXCOORD3;float3 bitangentNormal : TEXCOORD4;float3 worldPos : TEXCOORD5;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;sampler2D _NormalMap;float4 _NormalMap_ST;fixed4 _Diffuse;fixed4 _Specular;float _Gloss;float _LocalNormalScale;samplerCUBE _CubeMap;float _EnvScale;v2f vert (appdata v){v2f o; //将顶点从模型空间转换到裁剪空间o.vertex UnityObjectToClipPos(v.vertex);//把发现转换到世界空间//o.worldNormal mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject);旧写法o.worldNormal UnityObjectToWorldNormal(v.normal);o.worldPos mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;//计算UV Offset与Tilingo.uv0 TRANSFORM_TEX(v.uv0,_MainTex);o.uv1 TRANSFORM_TEX(v.uv1,_NormalMap);//计算法线切线、副切线o.tangentNormal normalize(mul(unity_ObjectToWorld,float4(v.tangent.xyz,0.0)).xyz);o.bitangentNormal normalize(cross(o.worldNormal,o.tangentNormal) * v.tangent.w);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{//--基础的计算//纹理采样fixed4 mainTex tex2D(_MainTex,i.uv0);//环境光fixed3 amibent UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Diffuse.rgb * mainTex.rgb;//归一化光方向fixed3 worldLightDir normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//归一化法线即使在vert归一化也不行从vert到frag阶段有差值处理传入的法线方向并不是vertex shader直接传出的fixed3 worldNormal normalize(i.worldNormal);//--计算法线贴图fixed3x3 tangentRotation fixed3x3(i.tangentNormal,i.bitangentNormal,worldNormal);fixed3 normalTangent UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, i.uv1));//将法线从切线空间转换到世界空间fixed3 normalWorld normalize(mul(normalTangent.rgb,tangentRotation));fixed3 finalNormal lerp(worldNormal,normalWorld,_LocalNormalScale);//--Lambert//计算法线与入射光的点积sfixed3 NdotL max(0, dot(finalNormal, worldLightDir));//Lambert颜色漫反射fixed3 lambertColor mainTex.rgb * _Diffuse.rgb * _LightColor0.rgb * NdotL;//--Phong//计算反射方向RworldLight表示光源方向指向光源)入射光线方向为-worldLightDirfixed3 reflectDir normalize(reflect(-worldLightDir, finalNormal));//计算该视角方向fixed3 viewDir normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);//计算VdotR,视角与反射光线的点积 fixed3 VdotR max(0,dot(viewDir, reflectDir));//计算phong颜色fixed3 phong pow(VdotR,_Gloss)* _Specular.rgb;//--Blinn-Phong//计算半角向量fixed3 halfDir normalize(worldLightDir viewDir);//计算NdotHfixed3 NdotH saturate(dot(finalNormal,halfDir));//计算Blinn-Phongfixed3 blinnphong pow(NdotH,_Gloss) * _Specular.rgb;//漫反射与高光有个过渡fixed3 specular lerp(lambertColor * blinnphong, blinnphong,_Gloss / 255);//环境贴图fixed3 worldRef normalize(reflect(-viewDir, finalNormal));fixed4 reflectColor texCUBElod(_CubeMap, fixed4(worldRef.rgb,(255 - _Gloss) * 8/(255))) * _EnvScale;//环境贴图与漫反射有个过渡reflectColor.rgb lerp(reflectColor * lambertColor.rgb,reflectColor,_Gloss/255);//--最终颜色fixed4 finalColor fixed4(lambertColor amibent reflectColor.rgb specular ,1.0);//fixed4 finalColor fixed4( reflectColor.rgb,1.0);return finalColor; }ENDCG}}
}兰伯特光照模型 Phong光照模型 Blinn-Phong光照模型 环境光贴图 环境光贴图0.2 环境光贴图1
