Unity3d Shader篇（五）— Phong片元高光反射着色器

2024-02-09 07:28
文章标签 shader 着色器 unity3d 片元 phong 光反射

本文主要是介绍Unity3d Shader篇（五）— Phong片元高光反射着色器，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

文章目录

  • 前言
  • 一、Phong片元高光反射着色器是什么？
    • 1. Phong片元高光反射着色器的工作原理
    • 2. Phong片元高光反射着色器的优缺点
      • 优点
      • 缺点
  • 二、使用步骤
    • 1. Shader 属性定义
    • 2. SubShader 设置
    • 3. 渲染 Pass
    • 4. 定义结构体和顶点着色器函数
    • 5. 片元着色器函数
  • 三、效果
  • 四、总结
    • Phong 片元高光反射着色器的优劣势
    • 使用场景
    • Phong 顶点高光反射着色器的优劣势
    • 使用场景

前言

在 Unity 中，Shader 可以用来实现各种视觉效果。本教程将详细介绍如何编写一个基于 Phong片元高光反射着色器，使物体的颜色根据光照和法线方向的变化而变化。

一、Phong片元高光反射着色器是什么？

1. Phong片元高光反射着色器的工作原理

Phong 片元高光反射着色器是一种基于 Phong 光照模型的着色器，它可以模拟物体表面的漫反射、环境光和高光效果。Phong 光照模型是一种经验性的局部光照模型，它描述了物体表面反射光的方式，是一种常用的光照模拟方法。

Phong 片元高光反射着色器的主要特点是，它在片元着色器中计算光照颜色，而不是在顶点着色器中。这样做的好处是，可以提高光照效果的精细度和真实度，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，可以避免出现锯齿或者平面化的现象。但是，这样做的缺点是，会增加片元着色器的计算量，降低性能和效率。

2. Phong片元高光反射着色器的优缺点

优点

它可以模拟出比较真实的光照效果，使物体表面有明暗、光滑、粗糙等不同的感觉。
它可以适用于各种类型的物体表面和光源，具有很强的通用性和灵活性。
它可以在片元着色器中进行计算，使得每个片元的光照效果更加精细和准确。

缺点

它的计算量较大，需要对每个片元进行多次的向量运算和幂运算，消耗较多的性能资源。
它是一个经验模型，并不完全符合真实世界中的光照现象，有一些物理上的不准确和不一致。
它的高光反射的形状不够自然，往往是一个圆形或椭圆形，不能模拟出复杂的高光形状，比如星形、心形等。

二、使用步骤

1. Shader 属性定义

// 定义属性
Properties
{_Diffuse("Diffuse",Color)=(1,1,1,1) // 漫反射颜色属性，默认白色_Specular("Specular",Color)=(1,1,1,1) // 高光颜色性，默认白色_Gloss("Gloss",Range(1,256))=5// 高光反射系数
}

这段代码定义了Shader的属性，其中：
_Diffuse: 表示漫反射颜色属性，使用RGBA格式表示颜色，默认为白色 (1, 1, 1, 1)。
_Specular: 表示高光颜色属性，同样使用RGBA格式表示颜色，默认为白色 (1, 1, 1, 1)。
_Gloss: 表示高光反射系数属性，使用Range声明范围为1到256，默认值为5。

2. SubShader 设置

SubShader
{Tags{"RenderType" = "Opaque" // 渲染类型为不透明}LOD 100 // 细节级别
}

SubShader 定义了一组渲染设置，包括标签和细节级别。在这里，我们将渲染类型标签设置为 “Opaque”，表示物体是不透明的。

3. 渲染 Pass

Pass
{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"
}

这里开始了渲染 Pass 部分。在这里，我们使用了 CGPROGRAM 指令来声明顶点着色器和片元着色器函数。#pragma vertex vert 和 #pragma fragment frag 分别指定了顶点着色器函数和片元着色器函数的名称。

然后，我们包含了 UnityCG.cginc 和 Lighting.cginc，它们提供了许多有用的函数和宏，用于简化编写 Shader。

4. 定义结构体和顶点着色器函数

// 定义结构体：从顶点到片元的数据传递
struct v2f
{float4 vertex:SV_POSITION; // 顶点位置fixed3 worldNormal:TEXCOORD0; // 颜色fixed3 worldPos:TEXCOORD1;
};// 顶点着色器函数
v2f vert(appdata_base v)
{v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点位置变换到裁剪空间fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 世界空间法线o.worldNormal = worldNormal;//unity_ObjectToWorld 是一个变换矩阵，用于将顶点从对象空间变换到世界空间。//v.vertex 是顶点的位置信息。//mul() 函数表示矩阵相乘操作，这里将对象空间中的顶点位置矩阵与对象到世界的变换矩阵相乘，得到世界空间中的顶点位置。o.worldPos=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);return o;
}

顶点着色器的输入是一个结构体 appdata_base ，它包含了顶点的位置和法线信息。顶点着色器的输出是一个结构体 v2f ，它包含了顶点的裁剪空间位置和世界空间法线和位置信息。

顶点着色器的主要逻辑是：

  1. 使用 UnityObjectToClipPos 函数，将顶点的位置从对象空间变换到裁剪空间，这是渲染管线的必要步骤。

  2. 使用 UnityObjectToWorldNormal 函数，将顶点的法线从对象空间变换到世界空间，这是为了计算光照效果所需的方向向量。

  3. 使用 unity_ObjectToWorld 矩阵，将顶点的位置从对象空间变换到世界空间，这是为了计算光照效果所需的坐标系。

5. 片元着色器函数

// 片元着色器函数
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{//获取环境光fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;//漫反射//获取光源位置//fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//获取光源位置简化函数fixed3 worldLightDir = UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos);fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldLightDir, i.worldNormal));//高光反射// 计算反射方向fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, i.worldNormal));//计算视角//fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.WorldPos);//计算视角简化版本fixed3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));// 计算高光颜色fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);fixed3 color = diffuse + ambient + specular;return fixed4(color, 1); // 输出颜色
}

片元着色器的输入是一个结构体 v2f ，它包含了顶点的裁剪空间位置和世界空间法线和位置信息。片元着色器的输出是一个 fixed4 类型的颜色值，它表示了片元的颜色。

片元着色器的主要逻辑是：

  1. 使用 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 宏，获取环境光的颜色，这是 Phong 光照模型的第一个分量。

  2. 使用 UnityWorldSpaceLightDir 函数，获取光源的方向向量，这是为了计算漫反射和高光效果所需的角度。

  3. 使用 _LightColor0 和 _Diffuse 变量，获取光源的颜色和物体的漫反射颜色，然后使用 max 和 dot 函数，计算光源和法线的夹角的余弦值，这是 Phong 光照模型的第二个分量。

  4. 使用 reflect 函数，计算光源的反射方向向量，这是为了计算高光效果所需的角度。

  5. 使用 UnityWorldSpaceViewDir 函数，获取视线的方向向量，这是为了计算高光效果所需的角度。

  6. 使用 _LightColor0 和 _Specular 变量，获取光源的颜色和物体的高光颜色，然后使用 max 和 dot 函数，计算反射方向和视线方向的夹角的余弦值，然后使用 pow 函数，计算高光的强度，这是 Phong 光照模型的第三个分量。

  7. 将环境光、漫反射和高光的颜色相加，得到最终的光照颜色，作为片元着色器的输出。

三、效果

左:Phong顶点高光反射着色器 右:Phong片元高光反射着色器 （_Diffuse设置成了红色)
在这里插入图片描述

四、总结

Phong 片元高光反射着色器和 Phong 顶点高光反射着色器都是基于 Phong 光照模型的着色器，可以模拟物体表面的漫反射、环境光和高光效果，使物体看起来更加真实和立体。

Phong 片元高光反射着色器的优劣势

在片元着色器中计算光照颜色，提高了光照效果的精细度和真实度，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，可以避免出现锯齿或者平面化的现象。它的劣势是，会增加片元着色器的计算量，降低性能和效率，尤其是在物体的面数较多或者光源的数量较多时，会造成较大的开销。它不能处理复杂的光照情况，例如多光源、阴影、透明度、反射、折射等，需要使用更高级的着色器来实现。

使用场景

当需要模拟物体表面的光照效果，且需要较高的精度和细节时，可以使用这种着色器。例如，一些复杂的几何形状，或者一些近处的物体，或者一些需要重点关注的物体，都可以使用这种着色器来提高视觉效果和真实感。

Phong 顶点高光反射着色器的优劣势

在顶点着色器中计算光照颜色，减少了片元着色器的计算量，提高了性能和效率。它的劣势是，会导致光照效果不够精细，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，会出现明显的锯齿或者平面化的现象。它不能处理复杂的光照情况，例如多光源、阴影、透明度、反射、折射等，需要使用更高级的着色器来实现。

使用场景

当需要模拟物体表面的光照效果，但又不需要太高的精度和细节时，可以使用这种着色器。例如，一些简单的几何形状，或者一些远处的物体，或者一些不需要太多关注的物体，都可以使用这种着色器来提高性能和节省资源。

这篇关于Unity3d Shader篇（五）— Phong片元高光反射着色器的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/693525。

相关文章

Unity3D自带Mouse Look鼠标视角代码解析。

Unity3D自带Mouse Look鼠标视角代码解析。

Unity3D自带Mouse Look鼠标视角代码解析。 代码块 代码块语法遵循标准markdown代码，例如： using UnityEngine;using System.Collections;/// MouseLook rotates the transform based on the mouse delta./// Minimum and Maximum values can
阅读更多...
Unity3D 运动之Move函数和translate

Unity3D 运动之Move函数和translate

CharacterController.Move 移动 function Move (motion : Vector3) : CollisionFlags Description描述 A more complex move function taking absolute movement deltas. 一个更加复杂的运动函数，每次都绝对运动。 Attempts to
阅读更多...
Unity3D在2D游戏中获取触屏物体的方法

Unity3D在2D游戏中获取触屏物体的方法

我们的需求是： 假如屏幕中一个棋盘，每个棋子是button构成的，我们希望手指或者鼠标在哪里，就显示那个位置的button信息。 网上有很多获取触屏物体信息的信息的方法如下面代码所示： Camera cam = Camera.main; // pre-defined...if (touch.phase == TouchPhase.Bagan)){ // 如果触控点状态为按下Ray
阅读更多...
OpenGL——着色器画一个点

OpenGL——着色器画一个点

一、 绘制 在窗口中间画一个像素点： #include <GL/glew.h>#include <GLFW/glfw3.h>#include <iostream>using namespace std;#define numVAOs 1GLuint renderingProgram;GLuint vao[numVAOs];GLuintcreateShaderProgram (){c
阅读更多...
Unity3D Shader详解：只画顶点或只画线框

Unity3D Shader详解：只画顶点或只画线框

在Unity3D开发中，Shader是控制渲染过程的关键组件，它允许开发者自定义物体的渲染方式。有时，为了特定的视觉效果，我们可能需要只渲染模型的顶点或者只显示其线框。下面，我们将详细探讨这两种效果的技术实现，并给出相应的代码示例。 对惹，这里有一个游戏开发交流小组，大家可以点击进来一起交流一下开发经验呀！ 只画顶点 在Unity中直接“只画顶点”的概念可能不是非常直观，因为顶点本身只是模型
阅读更多...
学习使用RenderDoc查看着色器代码

学习使用RenderDoc查看着色器代码

0. 准备 首先，我想要一个相对简单的程序来学习。因此，我选择了 DX11官方范例（包含在DirectX11官方SDK中）里的【Tutorial 07: Texture Mapping and Constant 】 需要安装工程，编译出exe，然后将着色器文件（Tutorial07.fx）和贴图文件（seafloor.dds）放到exe的同级目录。随后应该可以打开exe： 1. 截一帧
阅读更多...
Unity3D ARPG（动作角色扮演游戏）设计与实现详解

Unity3D ARPG（动作角色扮演游戏）设计与实现详解

动作角色扮演游戏（Action Role-Playing Game, ARPG）结合了传统角色扮演游戏（RPG）的深度与动作游戏（Action Game）的即时反应和流畅战斗体验。Unity3D 作为一款强大的跨平台游戏开发引擎，为开发者提供了丰富的工具和资源来创建高质量的 ARPG 游戏。本文将详细介绍如何使用 Unity3D 设计和实现一个基本的 ARPG 游戏，包括技术选型、游戏架构、关键系
阅读更多...
glsl着色器学习（九）屏幕像素空间和设置颜色

glsl着色器学习（九）屏幕像素空间和设置颜色

在上一篇文章中，使用的是裁剪空间进行绘制，这篇文章使用屏幕像素空间的坐标进行绘制。 上一篇的顶点着色器大概是这样子的 回归一下顶点着色的主要任务：  通常情况下，顶点着色器会进行一系列的矩阵变换操作，将输入的顶点坐标从模型空间依次经过世界空间，视图空间，最终转换到裁剪空间。 将顶点着色器改成下面这样： <script id="vertex-shader-2d" type="x-sh
阅读更多...
unity shader实现一个移动的箭头

unity shader实现一个移动的箭头

Shader "Unlit/LT_Arrow" {     Properties     {         _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}         _MSpeed("MoveSpeed", Range(1, 3)) = 2 //移动速度     }     SubShader     {         //贴图带透明通道 ，半透明效果设置如下
阅读更多...
glsl着色器学习（十）缩放

glsl着色器学习（十）缩放

对二维图形进行缩放，需要用到顶点着色器，顶点着色器经过矩阵变换，会将模型空间最终转换成裁剪空间。下面就来操作矩阵 这里需要用到一个库glMatrix。 首先修改顶点着色器 <script id="vertex-shader-2d" type="x-shader/x-vertex">attribute vec4 a_position;uniform mat4 u_matrix;void m
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2