光照衰减

作者：追风剑情发布于：2017-10-21 19:13 分类：Shader

Unity使用一张纹理作为查找表来在片元着色器中计算逐像素光照的衰减。这样的好处在于，计算衰减不依赖于数学公式的复杂性，我们只要使用一个参数值去纹理中采样即可。但使用纹理查找计算衰减也有一些弊端。

需要预处理得到采样纹理，而且纹理的大小也会影响衰减的精度。
不直观，同时也不方便，因此一旦把数据存储到查找表中，我们就无法使用其他数学公式来计算衰减。

但由于这种方法可以在一定程度上提升性能，而且得到的效果在大部分情况下都是良好的，因此Unity默认就是使用这种纹理查找的方式来计算逐像素的点光源和聚光灯的衰减的。

用于光照衰减的纹理

Unity在内部使用一张名为_LightTexture0的纹理来计算光源衰减。需要注意的是，如果我们对该光源使用了cookie，那么衰减查找纹理是_LightTextureB0，但这里不讨论这种情况。我们通常只关心_LightTexture0对角线上的纹理颜色值，这些值表明了在光源空间中不同位置的点的衰减值。例如,(0,0)点表明了与光源位置重合的点的衰减值，而(1,1)点表明了在光源空间中所关心的距离最远的点的衰减。

为了对_LightTexture0纹理采样得到给定点到该光源的衰减值，我们首先需要得到该点在光源空间中的位置，这是通过_LightMatrix0变换矩阵得到的。_LightMatrix0可以把顶点从世界空间变换到光源空间。因此，我们只需要把_LightMatrix0和世界空间中的顶点坐标相乘即可得到光源空间中的相应位置：

float3 lightCoord = mul(_LightMatrix0, float4(i.worldPosition, 1)).xyz;
然后，我们可以使用这个坐标的模的平方对衰减纹理进行采样，得到衰减值：
fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;

可以发现，在上面的代码中，我们使用了光源空间中顶点距离的平方(通过dot函数来得到)来对纹理采样，之所以没有使用距离值来采样是因为这种方法可以避免开方操作。然后，我们使用宏UNITY_ATTEN_CHANNEL来得到衰减纹理中衰减值所在的分量，以得到最终的衰减值。

使用数学公式计算衰减值

尽管纹理采样的方法可以减少计算衰减时的复杂度，但有时我们希望可以在代码中利用公式来计算光源的衰减。例如，下面的代码可以计算光源的线性衰减：

float distance = length(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPosition.xyz);
atten = 1.0 / distance; //linear attenuation

可惜的是，Unity没有在文档中给出内置衰减计算的相关说明。尽管我们仍然可以在片元着色器中利用一些数学公式来计算衰减，但由于我们无法在Shader中通过内置变量得到光源的范围、聚光灯的朝向、张开角度等信息，因此得到的效果往往有些时候不尽如人意，尤其在物体离开光源的照明范围时会发生突变(这是因为，如果物体不在该光源的照明范围内，Unity就不会为物体执行一个Additional Pass)。当然，我们可以利用脚本将光源的相关信息传递给Shader,但这样的灵活性很低。我们只能期待未来的版本中Unity可以完善文档并开放更多的参数给开发者使用。

标签: Shader