unity3d中圖形學(xué)的光照原理是什么

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)unity3d中圖形學(xué)的光照原理是什么，小編覺得挺實(shí)用的，因此分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

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首先，在物理學(xué)里我們知道，物體的顏色其實(shí)是它反射的光的顏色。光是白色的，但它的白色是由許許多多不同顏色不同頻率的光混在一起呈現(xiàn)的，也就是光譜(spectrum)。紅色的物體反射紅光比較多，藍(lán)光和綠光則被吸收。白色的衣服反射白光，黑色的衣服吸收白光，這也是為什么夏天穿白衣服會稍微稍微涼快一點(diǎn)的原因。

而我們要實(shí)現(xiàn)光照，就要去模擬物體的反射光，讓物體有明暗關(guān)系，有亮面有暗面。物體的反射光可以簡單分為3種：

1. 漫反射(Diffuse)
當(dāng)光照射到物體上面，物體會反射自身的顏色，這是最基本的反射，會根據(jù)光照方向產(chǎn)生明暗關(guān)系（明暗關(guān)系是有的地方亮有的地方暗，不是影子，影子是其他物體投射到你身上，你身上才有暗色的影子，本文不考慮投射影子。因?yàn)橐粋€(gè)物體，比如正方體，不會自己讓自己產(chǎn)生影子，只有在它前面放個(gè)球，球的影子才會映到正方體上），反射方向完美情況下是向四面八方，這也就是“漫”的由來。

我們?nèi)为?dú)一個(gè)切面進(jìn)行分析

N是物體的法線，L是入射光的方向向量，le是入射光的顏色，則反射光的顏色強(qiáng)度lj滿足：
lj = le Kd cos(θ) 或者 lj = le Kd (L·N)
其中，Kd是物體本身的顏色，比如橘子就是橙色。
這個(gè)公式理解起來就是：你反射的顏色，是你本來的顏色和照射你的光的顏色的混合。
比如你穿了個(gè)白衣服但紅光照你，那反射的就是偏紅色。你的顏色和光的顏色的混合比例通過θ來確定，當(dāng)θ為0，即光正對著使勁照你，那你就是很亮的紅色了，當(dāng)光正好和你平行擦著你過去，那你就沒顏色了，黑色的。光對你越正，你就越亮，否則越暗。
注意：本文所有的公式的光照方向向量和法線都必須是標(biāo)準(zhǔn)化了的。顏色向量的RGB范圍都是0~12. 高光(Specular)
這個(gè)是可有可無的。
高光就是指光滑的物體會有一小部分特別亮的地方，趨近于鏡面反射。

上圖的小球，中間那塊圓形白色就是高光。同一個(gè)小球，左上偏亮右下偏暗，這樣的明暗關(guān)系是漫反射。
高光顏色強(qiáng)度公式為：

V是視角向量，因?yàn)楦吖夂鸵暯怯嘘P(guān)系，當(dāng)你繞著一個(gè)光滑球走時(shí)，你會發(fā)現(xiàn)它的高光鏡面反射的部位也會改變。 Ks就是物體鏡面反射的顏色，一般是白色，當(dāng)然如果很魔幻你想讓物體高光發(fā)藍(lán)色也可以。 R是反射光的方向向量，就是L入射光關(guān)于法線N的對稱向量。spec就是反射強(qiáng)度，看上圖那3個(gè)小球。
這個(gè)公式的理解就是：鏡面反射（高光）的顏色是入射光的顏色和鏡面反射光的顏色的疊加。鏡面反射光的強(qiáng)度取決于視角以及spec。
當(dāng)V和R平行時(shí)，即反射的光直射你的眼睛，會亮到爆炸。到V和R垂直時(shí)，光照全都照不進(jìn)你的眼，就沒有鏡面反射，沒有高光。3. 環(huán)境光(Ambient Light)
假設(shè)場景里就一個(gè)球和一個(gè)光源，那么按照目前的公式算出來，有光的地方有顏色，亮。沒光的地方一片漆黑。
但有人覺得一片漆黑不太好，應(yīng)該也能看見點(diǎn)東西，所以就加了一個(gè)環(huán)境光，讓整體再亮一點(diǎn)，從而使暗部呈現(xiàn)一些顏色。
環(huán)境光顏色計(jì)算公式為：
lj = la Ka
la是環(huán)境光的顏色，Ka是物體的環(huán)境光系數(shù)，一般而言Ka = Kd = 物體本身的顏色，只有高光的Ks不是物體本身的顏色，而是偏白色。

光照計(jì)算公式
綜上，一個(gè)物體在光照下?lián)碛忻靼店P(guān)系之后的顏色公式如下：

就是所有光源的高光計(jì)算結(jié)果+所有光源的漫反射計(jì)算結(jié)果+環(huán)境光顏色
場景中的環(huán)境光只有一個(gè)，而發(fā)光光源可能有好幾個(gè)，所以高光和漫反射每個(gè)光源都要算，然后加起來。

這個(gè)公式的加標(biāo)示版本：

其中，E是視角向量，就是V。

注意：

1. 我們算光照的時(shí)候是在相機(jī)坐標(biāo)系空間下計(jì)算的，即image space（不懂空間變換的參考我的坐標(biāo)系空間變換）。所以E（視角向量）永遠(yuǎn)都是（0，0，-1），因?yàn)槲覀兺胺娇淳褪峭鵝=1的地方看，它的反向量就是 -1。
   為什么是相機(jī)空間？
   因?yàn)楣庹沼?jì)算涉及方向向量L, E, N, R，我們需要在仿射空間（affine space，即pre-perspective space, 包括model， world， image 3個(gè)space）進(jìn)行變換，因?yàn)閺膇mage變換到perspective空間會扭曲圖形損失信息。model, world, image 3個(gè)空間計(jì)算光照都行，本文選image。
   在image空間下，法線等方向向量都要變換到image space，但要注意的是，法線的變換是只有旋轉(zhuǎn)，沒有位移和縮放的?。?！因?yàn)榉ň€如果位移，即在法線向量上加一個(gè)位移向量，兩個(gè)向量如果不平行，那么和向量的方向會和原法線不一致！

2. 當(dāng)E和L不在一邊的時(shí)候，即我們在看物體正面，光從物體背面照過來，我們是什么都看不見的，是黑色，這種情況就不計(jì)算，直接跳過。當(dāng)E和L在同一邊，但法線N在另一邊的時(shí)候，算出來也是負(fù)的，不行，所以要把法線取個(gè)反再算。總之就是保證最后的顏色RGB在0~1范圍內(nèi)。

我們知道三角形三個(gè)頂點(diǎn)的光照顏色了，但屏幕像素中，落在三角形內(nèi)部的點(diǎn)的顏色怎么辦？
答：插值。在光柵化里我們計(jì)算過平面方程用于三角形內(nèi)部點(diǎn)的Z插值。那么其他的插值都可以按這個(gè)方法來。

根據(jù)插值方式的不同，shade又分為兩大類：

1. Gouraud Shading
三角形內(nèi)部點(diǎn)的顏色根據(jù)三個(gè)頂點(diǎn)的顏色插值得來，不用管內(nèi)部像素點(diǎn)的法線啊光照啊啥的，所以方便運(yùn)算，快。但精度差了點(diǎn)。比如光源正好位于三角形的正中央，那么3個(gè)頂點(diǎn)的顏色因?yàn)殡x光源遠(yuǎn)，所以會比較暗，那么中間點(diǎn)的顏色插值出來也會暗。但實(shí)際上中間點(diǎn)離光源近，應(yīng)該更亮才對！

上圖為顏色插值方法，即構(gòu)造3維平面方程，把Z分別替換為R, G, B構(gòu)造3個(gè)平面，然后帶入像素點(diǎn)的x,y，求出3個(gè)Z(即R, G, B)。

2. Phong Shading
為了解決Gouraud的精度問題，我們可以在內(nèi)部像素每個(gè)像素點(diǎn)都重新算一遍光照顏色。所以我們需要計(jì)算出內(nèi)部像素點(diǎn)的法線N，通過插值算。然后帶入上面說的光照方程算出該點(diǎn)的顏色。這樣是最準(zhǔn)確的，但是計(jì)算量稍微大一點(diǎn)。目前的主流引擎基本都是默認(rèn)的Phong。
法線插值就構(gòu)造3個(gè)平面方程，把Z分別換成法線N的x, y, z。
帶入像素點(diǎn)的x,y，求出Nx, Ny, Nz，就得到了該點(diǎn)的N。

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