基于unity實(shí)現(xiàn)的半蘭伯特光照模型

彭人杰 段華瓊

摘要：該文介紹了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中基本的光照效果，講解了基本的蘭伯特光照模型與其改進(jìn)方案半蘭伯特光照模型。給出了實(shí)際運(yùn)用在uniIy游戲開發(fā)中的場景光照解決方案。

關(guān)鍵詞：unity;計(jì)算機(jī)圖形學(xué);光照模型

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-01 12-02

游戲是計(jì)算機(jī)等電子產(chǎn)品設(shè)備普及以來產(chǎn)生的一種娛樂方式，隨著硬件技術(shù)的進(jìn)步，人們對游戲體驗(yàn)的要求也越來越高，對游戲的畫面要求也大大提升。一款游戲的畫面質(zhì)量，很大程度上取決于其貼圖紋理和場景光照的效果。本文通過介紹基本的光照模型，并運(yùn)用到實(shí)際開發(fā)流程中所要做出的改進(jìn)模型，以此實(shí)現(xiàn)提升玩家游玩體驗(yàn)的光照效果。

1基本的蘭伯特光照模型

蘭伯特光照模型，于1760年由JohannHeinrich Lambea提出的，在其著作Photometria中，蘭伯特光照模型定義了一個(gè)理想的無光澤表面或漫反射表面，無論觀察視角如何改變，這個(gè)表面的亮度永遠(yuǎn)不變。也就是說，該光照模型是符合各向同性的。這個(gè)模型是由表面法線向量和光線向量所決定的。計(jì)算二者夾角的余弦值得到物體表面反射光線的強(qiáng)度。公式如下：

該光照模型以表面法線和光源方向做向量點(diǎn)乘運(yùn)算，但是，這兩個(gè)向量的夾角有可能為鈍角，比如，光線照不到的地方，那么該點(diǎn)乘運(yùn)算結(jié)果則是負(fù)值，這樣的結(jié)果就會造成不符合現(xiàn)實(shí)的場景出現(xiàn)在我們的游戲中，比如物體會被后面射來的光照亮，破壞了游戲場景的逼真度。為此，我們對向量點(diǎn)乘的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行一個(gè)截取，使其計(jì)算結(jié)果為非負(fù)值。如代碼中的max函數(shù)，取0和點(diǎn)乘結(jié)果的最大值，若點(diǎn)乘為負(fù)，值取0。圖1為著色器代碼在uniIv引擎中運(yùn)行的結(jié)果。

2改進(jìn)后的半蘭伯特光照模型

將上述的蘭伯特定律在unity中以shader文件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)后，我們就得到了一個(gè)簡單的基于蘭伯特定律的漫反射光照模型，如圖2所示。但是，在這些模型的背面，是完全黑的，沒有任何的明暗變化，這就導(dǎo)致了該光照模型在光照無法到達(dá)的區(qū)域看起來宛如一個(gè)平面一樣，模型沒有任何細(xì)節(jié)，游戲畫面顯得突兀，死板。這種光照要是運(yùn)用到游戲中，會大幅度消減玩家的游玩體驗(yàn)。

對于上述的畫面問題，人們提出了一些解決方案，例如間接光照。在現(xiàn)實(shí)生活中，即使有物體沒有被光源直接照射，人的肉眼還是可以看見它。這就是因?yàn)楣獾姆瓷湓斐傻拈g接光照。在現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，可以通過環(huán)境光系數(shù)來統(tǒng)一代表間接光，或者是采用更加復(fù)雜，對硬件要求更高，畫面更加寫實(shí)的光線追蹤技術(shù)來渲染間接光。

但在某些情況下，比如在早期的游戲制作中，當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有現(xiàn)在的成熟，沒有條件實(shí)現(xiàn)間接光照。就催生出一種基于蘭伯特定理的改進(jìn)模型，即半蘭伯特光照模型，該模型既保證了蘭伯特模型計(jì)算出來的光照結(jié)果大于0，又整體提升了亮度，使非直接受光面不是單純的置為黑色。這里運(yùn)用了一個(gè)在圖形學(xué)領(lǐng)域經(jīng)常有的變換，區(qū)間轉(zhuǎn)化——將另一個(gè)區(qū)間上的問題，轉(zhuǎn)化為已知公式的區(qū)間上去，并借助已知的公式或函數(shù)性質(zhì)，使問題得到解決。在建立蘭伯特模型的時(shí)候，我們就將值范圍從（-1，1）化為（0，1）防止物體的背光面被從后面射來的光線照亮。那么蘭伯特光照模型的視覺改進(jìn)型——半蘭伯特光照模型，也是如此。它的本質(zhì)就是一個(gè)區(qū)間轉(zhuǎn)化，將值范圍縮小，使其背光面不要太黑。

半蘭伯特光照模型的公式如下：

將半蘭伯特應(yīng)用于unity中，我們就得到了圖3，可以看到，此時(shí)的背光面視角已經(jīng)改善了不少。雖然這種視覺加強(qiáng)技術(shù)并不一定符合現(xiàn)實(shí)物理規(guī)律，但它可以被應(yīng)用于不少的實(shí)際開發(fā)中，市場上不少二次元風(fēng)格的手游會應(yīng)用到這種節(jié)約資源的視覺光照技術(shù)。

3基于unity實(shí)現(xiàn)半蘭伯特光照的過程

3.1編程接口

我們這里采用unity shader這個(gè)unity內(nèi)置的編程接口來實(shí)現(xiàn)我們所需要的光照模型，shader，意為著色器。著色器是一種渲染圖形的一門技術(shù)，也是渲染流水線的一個(gè)環(huán)節(jié)。

3.2渲染流水線基礎(chǔ)

渲染流水線也稱為渲染管線，是顯示芯片內(nèi)部處理圖像信號相互獨(dú)立的并行處理單元。它將儲存在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為肉眼可見的圖形，渲染流水線的工作原理與生活中的生產(chǎn)流水線相符，其效率都是由最耗費(fèi)時(shí)間的環(huán)節(jié)決定。一般情況下有三個(gè)階段：應(yīng)用階段，幾何階段和光柵化階段。應(yīng)用階段的任務(wù)是輸出渲染圖元（即完成渲染工作所需要的幾何信息）;幾何階段將應(yīng)用階段得到的圖形頂點(diǎn)坐標(biāo)從模型空間轉(zhuǎn)換為屏幕空間，再將數(shù)據(jù)傳遞給光柵化階段;光柵化階段決定了各個(gè)像素的繪制位置等。

3.3 CPU與渲染流水線

渲染流水線中的每一步輸入信息都是由上一步處理后得到的，而渲染流水線的輸人則是由CPU完成的。通過CPU將數(shù)據(jù)從硬盤加載到系統(tǒng)內(nèi)存中，之后從內(nèi)存加載到顯存。CPU還會將一個(gè)命令發(fā)送給GPU并指令GPU通過頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和渲染狀態(tài)完成各個(gè)網(wǎng)格的渲染工作，輸出最終像素。這個(gè)命令是由CPU調(diào)用圖形編程接口完成的（也稱為DrawCall）。

3.4 GPU處理渲染流水線

GPU以流水線的形式高效地完成了渲染工作，如圖4。

其中，頂點(diǎn)著色器，曲面細(xì)分著色器，幾何著色器和片元著色器是可以由開發(fā)者編程控制的（除了頂點(diǎn)著色器，其余都是可選的）。頂點(diǎn)著色器主要實(shí)現(xiàn)頂點(diǎn)的空間變換和逐頂點(diǎn)光照，所有的頂點(diǎn)都要調(diào)用一次頂點(diǎn)著色器，該著色器最重要的一個(gè)功能是，將頂點(diǎn)從模型空間變換至齊次裁剪空間中，方便后續(xù)的計(jì)算。曲面細(xì)分著色器和幾何著色器分別負(fù)責(zé)細(xì)分圖元和圖元著色工作。片元著色器（DirectX中被稱為“像素著色器”）將得到的位于齊次裁剪坐標(biāo)下的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出每個(gè)像素的最終顏色和深度以及丟棄無需的片元。該著色器可以多次訪問紋理內(nèi)存，并以任意方式結(jié)合所讀取的值。在這次對于半蘭伯特光照的實(shí)現(xiàn)中，我們就要重點(diǎn)完成頂點(diǎn)著色器和片元著色器的代碼編寫。

3.5利用unity的ShaderLab實(shí)現(xiàn)著色器編程

Unity中的所有著色器文件都是使用名為ShaderLab的聲明性語言來編寫。在文件中，嵌套大括號語法聲明了描述著色器的各種內(nèi)容，比如使用哪種混合模式，是否使用前向光照，在材質(zhì)面板顯示哪些屬性等等。這種語言并不只是著色器代碼，而是包含了一個(gè)游戲?qū)ο蟮牟馁|(zhì)所需包含的全部信息。

Unity引擎會根據(jù)運(yùn)行的平臺來把我們編寫的uniIv shader編譯成真正的代碼和著色器文件。我們僅需要完成ShaderLab的編程設(shè)計(jì)。

3.6 CG代碼實(shí)現(xiàn)

Unity shader我們采用ShaderLab編寫，而里面的頂點(diǎn)著色器和片元著色器，則使用CG，HLSL，GLSL這類著色語言編寫，因?yàn)镃G和HLSL十分類似，所以在unity里，CG和HLSL是等價(jià)的，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

4結(jié)束語

本文論述了以unitv引擎為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的半蘭伯特光照模型，通過借助對基本的蘭伯特定律推斷出來的漫反射光照模型進(jìn)行區(qū)間轉(zhuǎn)化，將值范圍修改至符合人體視覺感受的光照效果范圍，并且GPu無需太大的消耗。該光照實(shí)現(xiàn)方案可運(yùn)用于Cel-shading、Toon-Shading和漸變紋理中。