Unity Shader学习笔记（13）混合光源、光的衰减

一个BasePass处理平行光、四个点光源调用四次Additional Pass，四个点光源的顺序是依靠重要度排序的（光源强度、颜色、距离远近）。注意：只处理了逐像素光照，即光源渲染模式如果为Not Imoportant，则不会对物体产生影响。 
 

使用Phong光照模型。定义了Base Pass 和 Additional Pass来处理多个光源。

Base Pass 代码如下。Unity会把最亮的平行光给BasePass处理，其他平行光交给AdditionalPass处理。

Pass ｛
    Tags ｛ "LightMode"="ForwardBase" ｝
    CGPROGRAM
    #pragma multi_compile_fwdbase       // 保证使用光照衰减等光照变量可以正确被赋值
    ...
    fixed4 frag(v2f i) : SV_Target ｛
        ...
        // 环境光，只在BasePass处理一次够了。
        fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;  
        // 漫反射，_LightColor0是平行光颜色和强度相乘后的结果。
        fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
        ...
        // 镜面高光。
        fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
        // 衰减值，平行光为1.0。
        fixed atten = 1.0;
        return fixed4(ambient + (diffuse + specular) * atten, 1.0);
    ｝
    ...
｝

Additional Pass代码如下。处理其他光源。

Pass ｛
    Tags ｛ "LightMode"="ForwardAdd" ｝
    // 开启光照混合，与在帧缓存中的光照叠加
    Blend One One                   
    CGPROGRAM
    // 获取正确光照变量
    #pragma multi_compile_fwdadd    
    ...
    fixed4 frag(v2f i) : SV_Target ｛
        fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
        #ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT
            // 如果是平行光，直接获取光源方向
            fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
        #else
            // 点光或聚光，光源方向要依赖视角方向
            fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPos.xyz);    
        #endif
        ...
        // 漫反射和高光反射
        // 计算衰减值。平行光为1。其他光照较复杂。
        #ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT
            fixed atten = 1.0;
        #else
            #if defined (POINT)
                float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1)).xyz;
                fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
            #elif defined (SPOT)
                float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1));
                fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w * tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
            #else
                fixed atten = 1.0;
            #endif
        #endif
        return fixed4((diffuse + specular) * atten, 1.0);
    ｝
    ENDCG
｝

光照衰减纹理

　　需要预处理得到采样纹理，纹理的大小会影响衰减精度。类似渐变纹理，(0, 0)表示与光源重合时的衰减值，(1, 1)为离光源空间最大距离的衰减值。 
　　Unity内部使用_LightTexture0的纹理来计算光源衰减。利用_LightMatrix0变换矩阵来计算点在光源空间的位置。

// 计算衰减纹理坐标值
float3 lightCoord = mul(_LightMatrix0, float4(i.worldPosition, 1)).xyz;
// 根据坐标对纹理采样，用dot点乘就是直接做距离的平方，`.rr`的意思就是取得到rgb值的r作为一个新的二维坐标即(r, r)。
fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;

数学公式计算衰减

使用的是线性衰减：

flaot distance = length(_WorldSpaceLightPos0.xyz) - i.worldPosition.xyz);
atten = 1.0 / distance;