Unity Shader中的光照模型解析

# 1. 光照模型概述

## 1.1 光照模型的基本概念
在计算机图形学中，光照模型是指描述光在物体表面上的反射和折射过程的数学模型。它主要用来模拟真实世界中的光照效果，使渲染出的物体更具真实感。

光照模型基于光的物理特性和材质的光学属性，通过计算光照条件下物体表面的反射和折射，来确定最终的颜色和明暗度。

## 1.2 Unity引擎中的光照模型
Unity引擎提供了多种内置的光照模型，如Lambert、Blinn-Phong、Cook-Torrance等。每种光照模型都有其独特的计算方式和适用范围，可以根据需求选择合适的模型。

在Unity中，通过设置材质的光照模型属性，可以控制物体的光照效果。同时，Unity还提供了灯光系统和环境光照等功能，来实现更加真实的光照效果。

## 1.3 光照模型在渲染中的作用和意义
光照模型在渲染中扮演着非常重要的角色。通过合理选择和配置光照模型，可以使渲染出的物体更加真实、生动。

光照模型的正确应用可以让物体在不同角度和光照条件下表现出合适的反射和折射效果，使场景更加逼真。同时，光照模型也可以用来强调物体的材质特性，增加物体的质感和细节。

在游戏开发中，合理的光照模型可以提高游戏画面的品质，使玩家获得更好的视觉体验。同时，光照模型也是虚拟现实和增强现实等领域的关键技术之一，能够增强现实感，提升用户体验。

通过了解光照模型的基本概念、Unity引擎中的光照模型以及其在渲染中的作用和意义，我们可以更好地理解和使用光照模型来优化渲染效果。接下来，我们将深入探讨其中的漫反射和镜面反射。

# 2. 漫反射和镜面反射

### 2.1 漫反射和镜面反射的定义及特点

漫反射和镜面反射是光照模型中两个重要的概念。

漫反射是指光线以不同的角度撞击在物体表面上，然后以各个方向均匀地反射出去。这种反射使得物体表面的光亮度均匀分布，不会出现明暗不等的情况。具体来说，漫反射取决于入射光线的角度、物体表面的法线方向以及表面的光线散射特性。

镜面反射是指光线以某个角度撞击在物体表面上后，沿着与物体表面法线相对称的方向反射出去。这种反射使得物体表面出现明显的高光，产生反射的效果。镜面反射通常发生在光线与表面法线的夹角非常小的情况下，例如一个光源照射在一个镜面材质上，会形成一个明亮的反射点。

### 2.2 光照模型中的漫反射和镜面反射计算

在光照模型的计算过程中，漫反射和镜面反射通常使用物体表面的法线和光线的入射方向来进行计算。

漫反射的计算可以使用 Lambertian 光照模型来实现，公式如下：

diffuse = lightColor * surfaceColor * max(dot(lightDir, normal), 0)

其中，`lightColor` 是光源的颜色，`surfaceColor` 是物体表面的颜色，`lightDir` 是光线的入射方向向量，`normal` 是物体表面的法线向量。`max(dot(lightDir, normal), 0)` 表示光线方向向量与法线向量的点积，并将结果与 0 取最大值，确保反射只在正面发生。

镜面反射的计算则使用了 Blinn-Phong 光照模型，公式如下：

specular = lightColor * specularColor * pow(max(dot(viewDir, reflectDir), 0), shininess)

其中，`specularColor` 是物体表面的镜面反射颜色，`viewDir` 是观察者的方向向量，`reflectDir` 是光线的反射方向向量，`shininess` 是一个控制镜面反射质量光滑程度的参数。

### 2.3 Unity中如何实现漫反射和镜面反射

在 Unity 中，可以通过编写 Shader 来实现漫反射和镜面反射效果。

首先，在顶点着色器中计算出物体表面的法线向量：

float4x4 modelMatrix;
float4x4 viewMatrix;
float4x4 projectionMatrix;

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

struct v2f {
    float4 vertex : SV_POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
};

v2f vert (appdata v) {
    v2f o;
    o.vertex = mul(mul(modelMatrix, viewMatrix), v.vertex);
    o.normal = mul(float4(v.normal, 0.0), (float4x3)inverseTranspose(modelMatrix)).xyz;
    return o;
}

然后，在片段着色器中根据漫反射和镜面反射的计算公式，计算出最终的颜色值：

float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - o.vertex.xyz);
float3 normal = normalize(o.normal);

float diffuseStrength = max(dot(lightDir