菲尼尔反射【Unity Shader 入门精要10.1.5】

//10.1.5,菲尼尔反射
Shader "Unlit/Chapter10-Fresnel"
{Properties{//物体颜色_Color("Color Tint",Color) = (1,1,1,1)//菲尼尔反射强度_FresnelScale("Fresnel Scale",Range(0,1))=0.5//模拟反射的环境映射纹理_Cubemap("Reflection Cubemap",Cube) = "_Skybox"{}}SubShader{//渲染类型=不透明  队列=几何Tags{ "RenderType" = "Opaque" "Queue" = "Geometry" }Pass{//光照模式=向前渲染Tags{ "LightMode" = "ForwardBase" }CGPROGRAM//定义顶点片元
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag//确保光照衰减等光照变量可以被正确赋值
#pragma multi_compile_fwdbase//包含引用的内置文件
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
#include "AutoLight.cginc"//声明属性变量fixed4 _Color;fixed4 _ReflectColor;float _FresnelScale;//cube 属性用 samplerCUBE 来声明samplerCUBE _Cubemap;//定义输入结构体struct a2v{float4 vertex : POSITION;float3 normal:NORMAL;};//定义输出结构体struct v2f{float4 pos:SV_POSITION;fixed3 worldNormal : TEXCOORD0;float3 worldPos:TEXCOORD1;fixed3 worldViewDir : TEXCOORD2;fixed3 worldRefl : TEXCOORD3;//添加内置宏，声明一个用于阴影纹理采集的坐标，参数是下一个可用的插值寄存器的索引值SHADOW_COORDS(4)};//顶点着色器v2f vert(a2v v) {v2f o;//转换顶点坐标到裁剪空间o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);//转换法线到世界空间o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);//转换顶点坐标到世界空间o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);//获取世界空间下的视角方向o.worldViewDir = UnityWorldSpaceViewDir(o.worldPos);//compute the reflect dir in world space（计算世界空间中的反射方向）//用CG的reflect函数来计算该处顶点的反射方向       reflect（物体反射到摄像机的光线方向，法线方向）//物体反射到摄像机的的光线方向，可以由光路可逆的原则反向求得，o.worldRefl = reflect(-o.worldViewDir, o.worldNormal);//o.worldRefl = reflect(-normalize(o.worldViewDir), normalize(o.worldNormal));//内置宏，计算上一步中声明的阴影纹理坐标TRANSFER_SHADOW(o);return o;}//片元着色器fixed4 frag(v2f i) :SV_Target{//获取归一化的法线fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);//获取归一化的光线方向//fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//获取归一化的视角方向//fixed3 worldViewDir = normalize(i.worldViewDir);fixed3 worldViewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);//获取环境光fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;//漫反射计算  =光照颜色*物体颜色*大于零的 法线和光照方向的点积fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb*_Color.rgb*max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));//在世界空间中使用折射方向访问立方体贴图fixed3 reflection = texCUBE(_Cubemap, i.worldRefl).rgb;//光照衰减程度UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten, i, i.worldPos);//使用Schlick菲尼尔近似式计算fresnel变量fixed fresnel = _FresnelScale + (1 - _FresnelScale)*pow(1 - dot(worldViewDir, worldNormal), 5);//环境光+插值（漫反射，反射，0到1之间的菲尼尔）*光照衰减程度return fixed4(ambient + lerp(diffuse, reflection, saturate(fresnel))*atten, 1.0);}ENDCG}}FallBack "Reflective/VertexLit"
}

实时渲染中，会用菲尼尔反射（Fresnel reflection）来根据视角方向控制反射程度

Schlick菲尼尔近似式：

$F_{Schlick}(v,n)=F_{0}+(1-F_{0})(1-v\cdot n)^{5}$

其中 $F_{0}$ 是一个反射系数，用于控制反射的强度，v是视角方向，n是表面法线。

Empricial菲尼尔近似式：

$F_{Empricial}(v,n)=max(1,bias+scale\times (1-v\cdot n)^{power})$

其中 bias scale power 是控制项。

使用上面的菲尼尔近似式可以在外边界模拟反射光强和折射光强/漫反射光强之间的变化。

在上面的代码中使用的是Schlick 菲尼尔来计算，使用它来混合漫反射和反射，一些实现也会直接把frensnel和反射光照相乘后叠加到漫反射光照上，模拟边缘光效果。

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