如何进行图形学基础光照对照Unity实现

引言

在计算机图形学中，光照模型是模拟光线与物体表面相互作用的关键技术。通过合理的光照模型，我们可以生成逼真的三维场景。Unity作为一款强大的游戏引擎，提供了丰富的光照工具和API，使得开发者能够轻松实现各种光照效果。本文将详细介绍如何在Unity中实现图形学基础光照模型，包括环境光、漫反射、镜面反射等。

1. 光照模型概述

1.1 环境光

环境光是指场景中无处不在的光线，它均匀地照亮所有物体。环境光通常用于模拟间接光照，使得物体在没有直接光源的情况下也能被看到。

1.2 漫反射

漫反射是指光线照射到物体表面后，向各个方向均匀散射的现象。漫反射光的强度与光线入射角度和表面法线有关，通常使用Lambert模型来描述。

1.3 镜面反射

镜面反射是指光线照射到物体表面后，按照入射角等于反射角的规律反射的现象。镜面反射光的强度与观察角度和反射角度有关，通常使用Phong模型或Blinn-Phong模型来描述。

2. Unity中的光照实现

2.1 环境光实现

在Unity中，环境光可以通过设置RenderSettings.ambientLight来实现。以下代码展示了如何在Unity中设置环境光：

using UnityEngine;

public class AmbientLightExample : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // 设置环境光颜色为浅灰色
        RenderSettings.ambientLight = new Color(0.8f, 0.8f, 0.8f, 1.0f);
    }
}

2.2 漫反射实现

在Unity中，漫反射可以通过Shader来实现。以下是一个简单的漫反射Shader示例：

Shader "Custom/DiffuseShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert

        sampler2D _MainTex;
        fixed4 _Color;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

在这个Shader中，我们使用了Lambert光照模型来计算漫反射光。surf函数用于计算表面颜色，o.Albedo表示表面的漫反射颜色。

2.3 镜面反射实现

在Unity中，镜面反射也可以通过Shader来实现。以下是一个简单的镜面反射Shader示例：

Shader "Custom/SpecularShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _SpecColor ("Specular Color", Color) = (1,1,1,1)
        _Shininess ("Shininess", Range(0.01, 1)) = 0.5
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf BlinnPhong

        sampler2D _MainTex;
        fixed4 _Color;
        fixed4 _SpecColor;
        float _Shininess;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Specular = _Shininess;
            o.Gloss = c.a;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Specular"
}

在这个Shader中，我们使用了BlinnPhong光照模型来计算镜面反射光。o.Specular表示镜面反射的强度，o.Gloss表示镜面反射的光泽度。

3. 光照模型的组合

在实际应用中，我们通常需要将多种光照模型组合起来，以实现更复杂的光照效果。以下是一个组合了环境光、漫反射和镜面反射的Shader示例：

Shader "Custom/CombinedShader"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _SpecColor ("Specular Color", Color) = (1,1,1,1)
        _Shininess ("Shininess", Range(0.01, 1)) = 0.5
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Combined

        sampler2D _MainTex;
        fixed4 _Color;
        fixed4 _SpecColor;
        float _Shininess;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            fixed4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Specular = _Shininess;
            o.Gloss = c.a;
            o.Alpha = c.a;
        }

        fixed4 LightingCombined (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, fixed atten)
        {
            fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * s.Albedo;

            fixed3 diffuse = max(0, dot(s.Normal, lightDir)) * s.Albedo;

            fixed3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);
            fixed3 specular = pow(max(0, dot(s.Normal, halfDir)), _Shininess * 128) * _SpecColor.rgb;

            fixed4 col;
            col.rgb = ambient + (diffuse + specular) * atten;
            col.a = s.Alpha;
            return col;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

在这个Shader中，我们定义了一个自定义的光照函数LightingCombined，它将环境光、漫反射光和镜面反射光组合在一起。ambient表示环境光，diffuse表示漫反射光，specular表示镜面反射光。

4. 光照优化

在实际开发中，光照计算可能会对性能产生较大影响。为了提高性能，我们可以采取以下优化措施：

4.1 使用光照贴图

光照贴图是一种预计算的光照信息，可以显著减少实时光照计算的开销。在Unity中，可以通过烘焙光照贴图来实现。

4.2 使用简化光照模型

在一些对光照要求不高的场景中，可以使用简化的光照模型，如只使用环境光和漫反射光，而忽略镜面反射光。

4.3 使用GPU Instancing

GPU Instancing是一种通过一次绘制调用渲染多个相同物体的技术，可以减少绘制调用次数，提高渲染效率。

5. 总结

本文详细介绍了如何在Unity中实现图形学基础光照模型，包括环境光、漫反射和镜面反射。通过合理的光照模型组合和优化措施，我们可以在Unity中实现逼真的光照效果，同时保证良好的性能。希望本文能为Unity开发者提供有价值的光照实现参考。