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練習實作 Phong Model 光照

Unity 對圖形底層進行包裝，並定義一系列的 Render Pipeline，使用者可使用 Cg/HLSL 語言在各渲染階段操作物體頂點、像素等，這次使用 Cg 語言實作光照模型 Phong Model，包括 Ambient、Diffuse 和 Specular。

漫反射 (Diffuse)

實作漫反射須知道物體表面是否正向光源，因此可使用物體表面與光源的向量 R⃗\vec{R}，並與表面法向量 N⃗\vec{N} 做內積，若光源在物件表面正上方，則 R⃗⋅N⃗\vec{R} \cdot \vec{N} 為 1，若光源與表面平行或在背後，則 R⃗⋅N⃗<=0\vec{R} \cdot \vec{N} <= 0（前提 R⃗\vec{R}、N⃗\vec{N} 均是 Normalize），計算內積後即可知道光源與表面漫反射的相關性，最後加入光源強度和 Diffuse 程度，整合公式如下：

Diffuse=ILight×IDiffuse×(R⃗⋅N⃗)Diffuse = I_{Light} \times I_{Diffuse} \times ( \vec{R} \cdot \vec{N} )

預覽結果

大功告成！但仔細看會發現，沒照到光的部分通通是黑色的，因為 R⃗⋅N⃗<=0\vec{R} \cdot \vec{N} <= 0，這不符合現實光照，因此須對物件增加一層 Ambient Light。

加入環境光 (Diffuse + Ambient)

現實中，若沒照到光的部分仍然會有其他物件反射後的環境光，所以不可能是全黑的，但早期的電腦很難計算所有光的反射，因此公式很簡單，只需要乘上光照強度和Ambient程度就好。

關於較新的技術 PBR（基於物理的渲染）採用光線追蹤模擬光的反射，這樣可以達到更真實的渲染效果，推薦一本講解 PBR 的書籍 Physically Based Rendering: From Theory to Implementation，這本書的特色是實作內容完全由文言程式語言（Literate Programming）組成，以白話文的方式解釋程式碼，大幅降低理解的難易度。

Ambient 的計算方式如下：

Ambient=ILight×IAmbientAmbient = I_{Light} \times I_{Ambient}

預覽結果

加上 Ambient 後，沒有光源的地方就不會是全黑了！最後只剩下 Specular 需要實作，Specular 的目的是模擬物體的反射光。

加入高光 (Diffuse + Ambient + Specular)

Phong Model 中的 Specular，先獲得光源經過表面反射的反射 R⃗\vec{R}，接著與相機視角 V⃗\vec{V} 內積，目的是獲得反射光打到眼睛的相關程度，若反射出來的光不直視眼睛，反射量則遞減。

之後可以進一步模擬物體粗糙程度，設置粗糙度 nn，若物體越粗糙，反射程度會指數遞減（高光會不明顯）。

Specular=ILight×ISpecular×(V⃗⋅R⃗)nSpecular = I_{Light} \times I_{Specular} \times (\vec{V} \cdot \vec{R})^n

實作結果

程式碼 (CG)

Shader "Unlit/Phong"
{
  Properties
  {
    _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
    _Color("Color", Color) = (0.25, 0.5, 0.5, 1)
    _Diffuse("Diffuse", float) = 1
    _Gloss("Gloss", float) = 1
    _Specular("Specular", float) = 1
  }

  SubShader
  {
    Tags { "RenderType"="Opaque" }
    Pass
    {
        CGPROGRAM
        #pragma vertex vert
        #pragma fragment frag
        #include "UnityCG.cginc"

        struct appdata
        {
            float4 vertex : POSITION;
            float2 uv : TEXCOORD0;
            float3 normal : NORMAL;
        };

        struct v2f
        {
            float2 uv : TEXCOORD0;
            float4 vertex : SV_POSITION;
            float4 worldPos : TEXCOORD1;
            float3 normal : NORMAL;
        };

        sampler2D _MainTex;
        float4 _MainTex_ST;
        float4 _Color;
        float _Gloss;
        float _Diffuse;
        float _Specular;

        v2f vert (appdata v)
        {
            v2f o;

            // 將物件座標轉為螢幕座標
            o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);


            // 取得texture的UV，之後要貼貼圖在像素上
            o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);

            // 計算Diffuse需要頂點世界座標，所以拿世界座標轉換矩陣跟頂點座標相乘
            o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);

            // 獲得頂點法向量
            o.normal = v.normal;

            return o;
        }

        fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
        {
            /*  Ambient  */
            fixed4 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT;


            /*  Diffuse  */
            // 獲得點的法向量 (normalize)
            fixed3 worldNormalDir = normalize(i.normal);

            // 獲得點對光源的向量 (normalize)
            fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));

            // 取光向量與表面法向量夾角，並算出強度
            fixed4 diffuse = saturate(dot(worldNormalDir, worldLightDir)) * _Diffuse;


            /*  Specular  */
            // 計算光對表面的反射向量
            // (worldLightDir是負的，因為是從光為起點到表面的向量)
            fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormalDir));

            // 算出視角與表面的向量
            fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos);

            // dot算出specular
            fixed4 specular = pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss) * _Specular;


            // 取得貼圖在該UV下的顏色
            fixed4 textureColor = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color;
            return textureColor * (diffuse + ambient + specular);
        }
        ENDCG
        }
    }
}