CG之基本光照模型计算公式

在一个基本模型里，一个物体表面的颜色是由放射(emissive)、环境反射(ambient)、漫反射(diffuse)和镜面反射(specular)等光照作用的总和。每种光照作用取决于表面材质的性质（如亮度和材质颜色）和光源的性质（如光的颜色和位置）的共同作用。

从数学上描述基本模型的高级公式如下所示：

surfaceColor = emissive +ambient + diffuse + specular

一、放射项

emissive = Ke

其中：

Ke代表材质的放射光颜色。

二、环境反射项

ambient = Ka * globalAmbient

其中：

Ka是材质的环境反射系数。

globalAmbient是入射环境光的颜色。

三、漫反射项

diffuse = Kd * lightColor * max(dot(N, L), 0)

其中：

Kd是材质的漫反射颜色。

lightColor是入射漫反射光的颜色。

N是规范化的表面法向量。

L是规范化的从顶点到光源的向量。

四、镜面反射项

specular = Ks * lightColor * facing * pow(max(dot(N, H), 0), shininess)

其中：

Ks 是材质的镜面反射颜色。

lightColor是入射镜面反射光的颜色。

N是规范化的表面法向量。

H是规范化的，顶点到光源的向量与顶点到眼睛的向量的中间向量。

facing是，如果dot(N,L)大于0则为1，否则为0。其中L是顶点到光源位置的向量。

shinniess是表面光泽度。

例如，在unity3d shaderLab，在顶点shader中计算光照的代码如下：

Shader "Custom/Test"
{
Properties
{
_Ke("Ke", Color) = (1,1,1,1)
_Ka("Ka", Color) = (1,1,1,1)
_GlobalAmbient("Global ambient", Color) = (1,1,1,1)
_Kd("Kd", Color) = (1,1,1,1)
_Ks("Ks", Color) = (1,1,1,1)
_Shininess("", float) = 1
}

SubShader
{
Pass
{
Tags
{
"RenderType" = "Opaque"
}

CGPROGRAM
#pragma vertex Vert
#pragma fragment Frag

#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"

uniform float4 _Ke;
uniform float4 _Ka;
uniform float4 _GlobalAmbient;
uniform float4 _Kd;
uniform float4 _Ks;
uniform float _Shininess;

struct VertexInput
{
float4 pos : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float3 nor : NORMAL;
float4 col : COLOR;
};

struct FragmentInput
{
float4 pos : SV_POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 col : COLOR;
};

FragmentInput Vert(VertexInput vi)
{
FragmentInput fi;
fi.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, vi.pos);
fi.uv = vi.uv;

// compute emissive
float3 emissiveC = _Ke.rgb;

// compute ambient
float3 ambientC = _Ka.rgb * _GlobalAmbient.rgb;

// compute diffuse
float3 nor = mul(vi.nor, (float3x3)_World2Object);
float3 dir2Light = normalize(WorldSpaceLightDir(vi.pos));
float nl = max(0, dot(nor, dir2Light));
float3 diffuseC = _Kd.rgb * _LightColor0.rgb * nl;

// compute specular
float3 dir2Cam = normalize(WorldSpaceViewDir(vi.pos));
float nh = max(0, dot(nor, dir2Cam + dir2Light));
float specLight = nl > 0 ? pow(nh, _Shininess) : 0;
float3 specC = _Ks * _LightColor0.rgb * specLight;

fi.col.rgb = emissiveC + ambientC + diffuseC + specC;
fi.col.a = 1;

return fi;
}

float4 Frag(FragmentInput fi) : Color
{
return fi.col;
}

ENDCG
}
}
}

shader

效果图如下：



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