如何進行圖形學基礎光照對照Unity實現

如何進行圖形學基礎光照對照Unity實現

引言

在計算機圖形學中，光照模型是模擬光線與物體表面相互作用的關鍵技術。通過合理的光照模型，我們可以生成逼真的三維場景。Unity作為一款強大的游戲引擎，提供了豐富的光照工具和API，使得開發者能夠輕松實現各種光照效果。本文將詳細介紹如何在Unity中實現圖形學基礎光照模型，包括環境光、漫反射、鏡面反射等。

1. 光照模型概述

1.1 環境光

環境光是指場景中無處不在的光線，它均勻地照亮所有物體。環境光通常用于模擬間接光照，使得物體在沒有直接光源的情況下也能被看到。

1.2 漫反射

漫反射是指光線照射到物體表面后，向各個方向均勻散射的現象。漫反射光的強度與光線入射角度和表面法線有關，通常使用Lambert模型來描述。

1.3 鏡面反射

鏡面反射是指光線照射到物體表面后，按照入射角等于反射角的規律反射的現象。鏡面反射光的強度與觀察角度和反射角度有關，通常使用Phong模型或Blinn-Phong模型來描述。

2. Unity中的光照實現

2.1 環境光實現

在Unity中，環境光可以通過設置RenderSettings.ambientLight來實現。以下代碼展示了如何在Unity中設置環境光：

using UnityEngine;

public class AmbientLightExample : MonoBehaviour
{
    void Start()
    {
        // 設置環境光顏色為淺灰色
        RenderSettings.ambientLight = new Color(0.8f, 0.8f, 0.8f, 1.0f);
    }
}

2.2 漫反射實現

在Unity中，漫反射可以通過Shader來實現。以下是一個簡單的漫反射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"
}

在這個Shader中，我們使用了Lambert光照模型來計算漫反射光。surf函數用于計算表面顏色，o.Albedo表示表面的漫反射顏色。

2.3 鏡面反射實現

在Unity中，鏡面反射也可以通過Shader來實現。以下是一個簡單的鏡面反射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"
}

在這個Shader中，我們使用了BlinnPhong光照模型來計算鏡面反射光。o.Specular表示鏡面反射的強度，o.Gloss表示鏡面反射的光澤度。

3. 光照模型的組合

在實際應用中，我們通常需要將多種光照模型組合起來，以實現更復雜的光照效果。以下是一個組合了環境光、漫反射和鏡面反射的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"
}

在這個Shader中，我們定義了一個自定義的光照函數LightingCombined，它將環境光、漫反射光和鏡面反射光組合在一起。ambient表示環境光，diffuse表示漫反射光，specular表示鏡面反射光。

4. 光照優化

在實際開發中，光照計算可能會對性能產生較大影響。為了提高性能，我們可以采取以下優化措施：

4.1 使用光照貼圖

光照貼圖是一種預計算的光照信息，可以顯著減少實時光照計算的開銷。在Unity中，可以通過烘焙光照貼圖來實現。

4.2 使用簡化光照模型

在一些對光照要求不高的場景中，可以使用簡化的光照模型，如只使用環境光和漫反射光，而忽略鏡面反射光。

4.3 使用GPU Instancing

GPU Instancing是一種通過一次繪制調用渲染多個相同物體的技術，可以減少繪制調用次數，提高渲染效率。

5. 總結

本文詳細介紹了如何在Unity中實現圖形學基礎光照模型，包括環境光、漫反射和鏡面反射。通過合理的光照模型組合和優化措施，我們可以在Unity中實現逼真的光照效果，同時保證良好的性能。希望本文能為Unity開發者提供有價值的光照實現參考。