Unity Shader 高光反射光照模型

        高光反射光照模型计算公式如下：

        需要四个参数：入射光线的颜色和强度，材质的高光反射系数，视角方向，反射方向。

        反射方向可以由表面法线和光源方向计算而得： 

         也可以直接使用CG提供的计算反射方向的函数reflect(i,n)，i为入射方向，n为法线方向。

Shader "Unilt/Specular Vertex-Level" {
	Properties {
		_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
        //用于控制材质的高光反射颜色
		_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
        //用于控制高光区域的大小
		_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
	}
	SubShader {
		Pass { 
            //指明光照模式
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Diffuse;
			fixed4 _Specular;
			float _Gloss;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				fixed3 color : COLOR;
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
				
				fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
				//获得光照方向
				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
				
				//计算漫反射
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
				
				//获得反射方向（reflect函数的入射方向是要求由光源指向交点处的）
				fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
				//获得世界空间中摄像机位置，再把顶点位置从模型空间转换为世界空间
                //再通过相减得到世界空间下的视角方向
				fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);
				
				//计算高光反射
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
				
				o.color = ambient + diffuse + specular;
							 	
				return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				return fixed4(i.color, 1.0);
			}
			
			ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Specular"
}

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        逐像素光照：

Shader "Unilt/Specular Pixel-Level" {
	Properties {
		_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
	}
	SubShader {
		Pass { 
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
		
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Diffuse;
			fixed4 _Specular;
			float _Gloss;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				
                //计算法线方向和顶点坐标，传给片元着色器
				o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
				
				return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
				
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
				
                //反射方向
				fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
                //观察方向
				fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
				
				return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
			}
			
			ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Specular"
}

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        上述是Phong光照模型在Unity中的实现，还有另一种高光反射的实现方法——Blinn光照模型，它没有使用反射方向，而是引入一个新的矢量h。

        而Blinn模型计算高光反射的公式如下：

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
				
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
				
				fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
				fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
				
				return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
			}

         Blinn-Phong光照模型的高光反射部分看起来更大更亮一些，在实际渲染中，绝大多数情况我们都会选择Blinn-Phong光照模型。

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        之前我们计算光照模型时，得到光源方向和视角方向都是自行在代码中计算的，但是这种方法实际只适用于平行光，如果需要处理更复杂的光照模型，就需要使用别的方法，Unity也提供了一些内置函数来帮助我们计算这些信息：

         然后我们就可以利用这些内置函数来优化一下我们的光照反射：

			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
				
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				//使用Unity内置函数计算光照方向（注意需要归一化）
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
				
				//使用Unity内置函数计算摄像机视角方向（注意需要归一化）
				fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
				fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
				
				return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
			}
			
			ENDCG
		}