shader入门基础-光照模型总结

本文内容主要参考 《Unity shader 入门精要》一书，旨在总结所学知识与加深个人理解，为了表示方便，与书中公式略有差别。

漫反射

漫反射光照符合 兰伯特定律：反射光线强度与法线表面和光源方向的夹角的余弦值成正比。
公式
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\mathtt{c}{diffuse}=(\mathtt{c}\cdot \mathtt{m}_{diffuse})max(0,\vec n \cdot \vec l)
$$

$\vec n$ 是表面法线，$\vec l$ 指向光源的单位矢量，$m_{diffuse}$ 材质漫反射颜色，$c_{light}$ 是光源颜色。

高光反射

phong 模型

$$
\mathtt{c}{diffuse}=(\mathtt{c}\cdot \mathtt{m}_{diffuse})max(0,\vec n \cdot \vec l)
$$

半兰伯特模型

公式
$$
\mathtt{c}{diffuse}=(\mathtt{c}\cdot \mathtt{m}_{diffuse})(\alpha(0,\vec n \cdot \vec l)+\beta)
$$

半兰伯特模型没有使用max操作来防止$\vec n$和$\vec l$和的点积为负值，而是进行了$\alpha$倍的缩放和再加上一个$\beta$的偏移。
在绝大多数情况下，$\alpha$和$\beta$的值均为0.5。一般公式为

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\mathtt{c}{diffuse}=(\mathtt{c}\cdot \mathtt{m}_{diffuse})(0.5(0,\vec n \cdot \vec l)+0.5)
$$

逐像素与逐顶点

根据计算在不同函数中的实现，可以分为逐像素光照和逐顶点光照。在片元着色器。由于顶点数目往往小于像素数目，因此逐顶点光照的计算量往往
小于逐像素光照。但是由于逐顶点光照依赖线性插值来得到像素光照，因此光照模型中有非线性的计算时，逐顶点光照会有问题。
由于逐顶点光照会在渲染图元内部对顶点颜色进行插值，这会导致渲染图元内部颜色总是暗语顶点最高颜色值。

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$$