关于光照模型
早期学习笔记，转载自早期Excel。
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| 中文名 | 英文名/缩写 | 说明 | 长什么样 |  |
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| 兰伯特光照模型 | Lambert Lighting | 1.兰伯特反射(Lambert)是最常见的一种漫反射，经验模型 2.强度仅由L和N的乘积决定，也就是入射光方向和面法线的夹角，如果这个夹角越大、反射越弱，反之越强，现实生活中也是这个道理，很容易理解。 3.代码：FinalColor=saturate(dot(N,L)); *：saturate(x);//如果x取值小于0，则返回值为0。如果x取值大于1，则返回值为1。若x在0到1之间，则直接返回x的值。 |  | |
| 半兰伯特光照模型 | Half-Lambert Lighting | 1.Half-Lamber是Valve公司提出来的算法，其为了解决Lambert在背面太暗的问题。经验模型。 2.为什么兰伯特在背面会太暗？因为使用了saturate函数，在背面乘值小于0，取0，也就是漫反射强度为0，所以会暗。 3.FinalColor = pow(dot(N,L)*0.5+0.5,2); 4.解析一下公式，先看pow内部，就是把N和L的点乘得到的值从-11映射到01。这样可能会造成原先亮的地方不那么亮了，暗的地方又显得太亮了，也就是对比度变低了，于是再做个2次方，把暗的地方压一下，亮的地方虽然也是压的（因为都是小于1的值），但是没有暗的值压的厉害，相当于整体变暗一点，但是对比度更高。 |  | |
| Phong光照模型 | Phong | 1.Phong模型用来模拟高光效果。 2. //Phong float3 R = reflect(-L,N); // float3 R = normalize( -L + 2* N* dot(N,L) ); float VR = saturate(dot(V,R)); float NL = saturate(dot(N,L)); float4 Specular = pow(VR,_SpecularPowerValue)*_SpecularScaleValue; float4 Diffuse = NL; FinalColor = Specular + Diffuse; 3.看一下公式，主要是计算高光Specular的部分，它受到视角和反射光线方向的影响，视角和反射光线夹角越小，高光就越强。 4.reflect(-L,N);函数用来计算入射光线以法线为N的表面反射后的出射光线。 |  | |
| Blin-Phong光照模型 | Blin-Phong Lighting | 1.也是用来模拟高光的经验模型。 2. //Blin-Phong float3 H = normalize(V+L); float NH = saturate(dot(N,H)); float NL = saturate(dot(N,L)); float4 Specular = pow(NH,_SpecularPowerValue)*_SpecularScaleValue; float4 Diffuse = NL; FinalColor = Specular + Diffuse; 3.H是半程向量，也叫半角向量，是视角方向和入射光方向的中线，Blin-Phong的高光强度由半程向量和面法线的夹角决定，夹角越小，高光越强。 4.和Phong对比，不用计算反射光线方向，性能较好。和Phong相比，高光会大一些、圆滑一些。 |  | |
| 环绕光照/包裹光照 | Wrap Lighting | 1.可以处理物体明暗交界处的颜色 2. float NL = dot(N,L); float NH = dot(N,H); float NLWrap = (NL + _Wrap)/(1 + _Wrap); //add color tint at transition from light to dark //在从明到暗的转换中添加颜色色调 float scatter = smoothstep(0,_ScatterWidth,NLWrap) * smoothstep(_ScatterWidth2,_ScatterWidth,NLWrap); float specular = pow(saturate(NH),_Shininess); float3 diffuse = max(NLWrap,0) + scatter _ScatterColor; FinalColor.rgb = diffuse + specular; 3.NLWrap有点像之前的半兰伯特，把diffuse映射到不那么暗的地方，这里的scatter用来计算“边缘程度”，值越大、也代表越接近明暗交界处。 *：smoothstep(a, b, x); // x<a<b 或 x>a>b 返回0 ,x<b< a 或 x>b>a 返回1 smoothstep与lerp类似，返回 0 和 1 之间平滑的 Hermite 插值。 *：lerp(a,b,w); //(a,b,w)当w为0时返回a,为1时返回b,当w在0-1之间时，比重w将ab进行线性插值， |  | |
| 高洛德着色 | Gouraud Lighting | 1.简单来说Gouraud就是在VertexShader而不是在FragmentShader中计算光照的Phong模型。在顶点中计算光照后，再在Fragment中插值。 2.节省性能，但是效果很差。高光和漫反射计算棱角分明，面对较圆滑的模型表现尤其差。 |  | |
| 带状照明/分段着色 | Banded Lighting | 1.就是把漫反射分段，之前说的漫反射是平滑过度的，现在把它们隐射到不同的级数里，像条形统计图那样。可以用作卡通渲染。 2. //Banded Lighting float NL = (dot(N,L))0.5+0.5; // float _BandedStep = 6; float BandedNL = floor(NL_BandedStep)/_BandedStep; float4 C1 = lerp(_ColorA,_ColorB,BandedNL); float4 C2 = lerp(_ColorB,_ColorC,BandedNL); float4 Diffuse = lerp(C1,C2,BandedNL); // float4 Diffuse = smoothstep(_ColorA,_ColorB,BandedNL); FinalColor = Diffuse; 3.这里先用NL记录了半兰伯特计算出来的值，再把它映射到BandedNL里。此案例给了三个用来分段的颜色，先用BandedNL插值出AB间，再插BC间，再插这两个结果之间。如果只是两个颜色间分段，只需要一次插值。 *：floor（a）//向下取整 |  | |
| 月光模型 | Minnaert Lighting | 1.Minnaert光照主要是用来模拟月球光照的，其特点是：光照不到的地方一定是全黑的、面法线与视线的夹角越大、看上去也越暗。 2. //Minnaert Lighting float NL = saturate(dot(N,L)); float NV = saturate(dot(N,V)); // float _Roughness = 0.5; float4 Minnaert = saturate(pow(NL*NV,_Roughness)*NV); FinalColor = Minnaert; //公式：Minnaert = (((N.*L)(N.*V))^(_Rough)) * (N.*V) |  | |
| 粗糙度光照（自己起的） | Oren-Nayar Lighting | 1.此模型用来描述光在粗糙表面的反射情况，相比于Lambert模型，它考虑了 粗糙度参数，常用来模拟比较粗糙的表面。 2. //Oren-Nayer //粗糙度参数由噪声图采样获得 float roughness = tex2D(_RoughnessTex,i.uv).r _Roughness; float NL = saturate(dot(N,L)); float NV = saturate(dot(N,V)); float theta2 = roughnessroughness; //A + B约等于1.右边有函数图上A下B float A = 1 - 0.5*(theta2/(theta2 +0.33)); float B = 0.45 (theta2/(theta2+0.09)); //反余弦得夹角 float acosNV = acos(NV); float acosNL = acos(NL); //alpha是法线与视线的夹角、法线与光照方向的夹角之间更大的那一个 float alpha = max(acosNV,acosNL); //beta是法线与视线的夹角、法线与光照方向的夹角之间更小的那一个 float beta = min(acosNV,acosNL); //V - NNV 是个综合了N、V二者夹角经过复杂变换后得到的值，目前无法理解 float gamma = length(V - NNV) * length(L - NNL); float Diffuse = 1; //最终综合以下影响：环境光、漫反射、粗糙度的复杂计算 float OrenNayer = Diffuse * NL (A+ Bmax(0,gamma)*sin(alpha)*tan(beta)); FinalColor = OrenNayer; //最终效果是：粗糙度越大、约暗，反射的光越弱，但和视角也有一定关系。 |  这是加了粗糙度贴图的效果 |  |
| 背光/次表面散射（方法之一）（SSS） | BackLight | 1.真实的光照几乎都包含反射、透射和次表面散射这三种，前两种以前就了解过，次表面散射的定义是：入射光和出射光在表面的同一侧，但入射点和反射点并不在同一个点。因为光线会打入表面内部，在与内部的原子碰撞若干次后反射出来。像玉石等物件，在背光时、边缘或者薄处比较亮，这种效果就可以用此表面散射来模拟。 2. //WrapLight计算漫反射 float WrapLight = pow(dot(N,L)_WrapValue+(1-_WrapValue),2); //Blin-Phong计算高光 float3 R = reflect(-L,N); float3 H = normalize(V+L); float VR = saturate(dot(V,R)); float NH = saturate(dot(N,H)); float NL = saturate(dot(N,L)); float4 Specular = pow(NH,_SpecularPowerValue)_SpecularScaleValue; float4 Diffuse = WrapLight; //模拟透射现象 float _SSSValue =0.6; //当SSSValue = 0，这个Shift就是光照方向的反方向，这里计算的是片元法线的偏移值 //这里的思想是用一个变量储存模拟的片元法线变换后的方向，再拿这个方向去计算 float3 N_Shift = -normalize(N*_SSSValue+L);//沿着光线方向上偏移法线，最后在取反 //这里是再用视线方向与偏移后的模拟法线方向计算一次背光强度，视线方向越接近模拟后偏移方向，背光强度越强 float BackLight = saturate(pow(saturate( dot(N_Shift,V)) ,_PowerValue)*_ScaleValue); FinalColor =Diffuse + Specular + BackLight; *：简单的来说，就是多计算一个背光项，其亮度由NV来计算，但是这个N是处理过的V，是法线往入射光方向偏移一定程度后再取反的法线。 3.对于光照能直接照到的地方，背光应该是不起效的，因为把法线偏向光源后，它与视角的夹角一般会变大，大于90度后值就会小于0了。 4.如果是光照的背面，则是面法线方向与光照方向越接近，背光越亮。 |  这里是背面 | |
| 各向异性光照模型 | Anisotropic Lighting | 1.用来模拟光照下的头发、带状的高光，在各个方向表现不一致的材质。 2. //shift值通过对纹理采样获得，为了使头发高光有上下偏移 float shift = tex2D(_StretchedNoiseTex,i.uv4).r + _ShiftTangent; //用一个变量储存向法线偏移一定值后的切线，偏移多少由shift决定 float3 T_Shift = normalize( T+ Nshift); //半程向量 float3 H = normalize(V+L); //把偏移后切线当成原先Phong模型的面法线，用来和半程向量计算高光的强度 float dotTH = dot(T_Shift,H); //定义高光段数 float NumberOfStrip =1; //通过拉伸一下Cos的X轴模拟多段高光 float cosTH =cos(dot(T_Shift,H)NumberOfStrip ); //高光强度映射到0~1 float dirAtten = smoothstep(-1,0,dotTH); //计算高光，dirAtten是仅由物体决定的总体的高光强度，与原先基本没有区别，cosTH段是通过采样值做多段处理 float Specular = dirAtten * pow(cosTH,_AnisotropicPowerValue)_AnisotropicPowerScale; float WrapLight = dot(N,L)0.5+0.5; float Diffuse = WrapLight; FinalColor = Diffusefloat4(0.7,0.2,0.4,0) +Specular; return FinalColor; *：简单的来说，做法就是在计算高光的时候，把原先的法线用“向法线偏移一定程度后的切线”代替。一想、确实，这样原先是高光的地方就因为偏移变得不是高光了，而总有一圈其他地方的会因为切线偏移后刚好和半程向量比较近，就会出现高光。 |  这里是加了贴图的效果 | |
| *：上面加灰了的这种说法是片面的，我自己复刻的时候遇到了很大的问题。首先、上面的T_Shift的确是向法线偏移后的切线，但是这不会导致带状高光，而是会导致高光位置偏移、形状扭曲！对于次表面散射的物体，的确需要高光偏移位置合扭曲。真正导致带状高光产生的，是CosTH那一项。想象一下，原来整个表面的高光强度被映射到01，此时在cosTH计算的时候，先把高光强度乘以一个指定值，也就是把高光强度映射到0若干，此时超过3.14的部分变成小于0，导致高光强度变为小于0，也就表现为非高光。总之带状高光的根本在于Cos函数映射，而高光的扭曲和位移才取决于向法线偏移的切线。 *：SmoothStep项作者应该也写错了，应该clamp 0~1 而不是 -1~0，我试了，clamp -1 ~ 0将导致全面变白。 |
