之前水了很多2D的，最近搬砖实在忙，二喵拿出点之前的存货应付下，主要介绍下不同的光照模型的效果和性能测试对比。
地址： http://learncocos.com/light
在计算机图形学中，光照模型（Lighting Model）用于模拟物体表面在光线照射下的反射效果。以下是常用的光照模型的简介和示例代码（使用GLSL语言）。
历史划水：
Unlit（无光照）
无光照模型并不考虑光照影响，只将物体的颜色或纹理直接渲染到屏幕。这种模型适用于不需要光照影响的场景，例如广告牌或者地面指引，对于lowpoly或者色卡贴图的模型，如本demo的机甲蜜蜂，则不太适合。
void main()
{
vec4 o = mainColor; //材质颜色
return CCFragOutput(o);
}
Lambert（朗伯模型）
朗伯模型是一种描述漫反射的光照模型，其假设物体表面对光的反射不依赖于观察者的位置。这种模型常用于模拟非金属、非镜面的物体表面。
lambert 的光照模型如下
void Lambert(inout vec4 diffuseColor,in vec3 normal)
{
vec3 N = normalize(normal);
vec3 L = normalize(cc_mainLitDir.xyz * -1.0);
float NL = max(dot(N, L), 0.0);
vec3 diffuse = NL * (diffuseColor.rgb * cc_mainLitColor.xyz);
vec3 ambient = cc_ambientGround.rgb * diffuseColor.rgb * cc_ambientSky.w;
diffuseColor.rgb = ambient + diffuse;
}
Half Lambert（半朗伯模型）
半朗伯模型是朗伯模型的一个变体，它改变了对光线反射的解释，使得在光线与法线成90度角时，反射强度为0.5而非0，从而使阴影部分不那么暗, 这里做了下优化增加了diffuseWrap的参数，用pow(NL * diffuseWrap + (1.- diffuseWrap),2.)代替pow(NL *0.5 + 0.5,2.)。此模型常用于卡通或非真实感渲染。
#和lambert对比
void HalfLambert(inout vec4 diffuseColor,in vec3 normal)
{
vec3 N = normalize(normal);
vec3 L = normalize(cc_mainLitDir.xyz * -1.0);
float NL = max(dot(N, L), 0.0);
vec3 diffuse = pow(NL * diffuseWrap + (1.-diffuseWrap),2.0) * (diffuseColor.rgb * cc_mainLitColor.xyz);
vec3 ambient = cc_ambientGround.rgb * diffuseColor.rgb * cc_ambientSky.w;
diffuseColor.rgb = ambient + diffuse;
}
Blinn-Phong（布林-冯模型）
布林-冯模型是Phong模型的改进版，它引入了"半向量"的概念，使得镜面高光的计算更加贴近微表面理论。适用于模拟有光泽的物体表面。
Blinn-Phong的光照模型如下
这里使用了Shiness去混合IBL的贴图
void void blinnPhong(inout vec4 diffuseColor,in vec3 normal)
{
vec3 N = normalize(normal);
vec3 L = normalize(cc_mainLitDir.xyz * -1.0);
float NL = max(dot(N, L), 0.0);
vec3 diffuse = NL * diffuseColor.rgb * cc_mainLitColor.xyz;
vec3 position;
HIGHP_VALUE_FROM_STRUCT_DEFINED(position, v_position);
vec3 cameraPosition = cc_cameraPos.xyz / cc_cameraPos.w;
vec3 V = normalize(cameraPosition- position);
vec3 H = normalize(L + V);
float specularFactor = pow(max(0.0, dot(H,N)), bpParams.x*50.);
vec3 specular = (specularFactor * cc_ambientSky.rgb * cc_mainLitColor.xyz);
float shadowCtrl = 1.0;
#if CC_RECEIVE_SHADOW && CC_SHADOW_TYPE == CC_SHADOW_MAP
if (NL > 0.0) {
#if CC_DIR_LIGHT_SHADOW_TYPE == CC_DIR_LIGHT_SHADOW_CASCADED
shadowCtrl = CCCSMFactorBase(position, N, v_shadowBias);
#endif
#if CC_DIR_LIGHT_SHADOW_TYPE == CC_DIR_LIGHT_SHADOW_UNIFORM
shadowCtrl = CCShadowFactorBase(CC_SHADOW_POSITION, N, v_shadowBias);
#endif
}
#endif
diffuse = (diffuse + specular) * (shadowCtrl);
}
Toon（卡通模型）
卡通模型或称Cel-shading，它通过将光照强度量离散化为几个等级，模拟出手绘动画的效果。适用于卡通或者艺术风格的渲染。
相比如官方的内置的Toon Shader，我额外增加Rim Light 和Specular 的羽化, 同时也精简了 2层Shade 的设置。
void ToonShading (inout vec4 diffuseColor,in vec3 normal) {
vec3 position;
HIGHP_VALUE_FROM_STRUCT_DEFINED(position, v_position);
vec3 V = normalize(cc_cameraPos.xyz - position);
vec3 N = normalize(normal);
vec3 L = normalize(-cc_mainLitDir.xyz);
float NL = 0.5 * dot(N, L) + 0.5;
float NH = 0.5 * dot(normalize(V + L), N) + 0.5;
vec3 lightColor = cc_mainLitColor.rgb * (cc_mainLitColor.w * shadeParams.x);
float shadeFeather = shadeParams.y;
float shadeCtrl = mix(1., (1.-shadeParams.z), clamp(1.0 + (shadeParams.x - shadeFeather - NL) / shadeFeather, 0.0, 1.0));
shadeCtrl *= mix(1., (1.-shadeParams.z*0.5), clamp(1.0 + (shadeParams.w - shadeFeather - NL) / shadeFeather, 0.0, 1.0));
float specularWeight = 1.0 - pow(specularParams.x, 5.0);
float specularMask = 1.0-smoothstep( NH, NH+ specularParams.y, specularWeight + EPSILON_LOWP);
float shadowCtrl = 1.0;
#if CC_RECEIVE_SHADOW && CC_SHADOW_TYPE == CC_SHADOW_MAP
if (NL > 0.0) {
#if CC_DIR_LIGHT_SHADOW_TYPE == CC_DIR_LIGHT_SHADOW_CASCADED
shadowCtrl = CCCSMFactorBase(position, N, v_shadowBias+0.1);
#endif
#if CC_DIR_LIGHT_SHADOW_TYPE == CC_DIR_LIGHT_SHADOW_UNIFORM
shadowCtrl = CCShadowFactorBase(CC_SHADOW_POSITION, N, v_shadowBias+0.1);
#endif
}
#endif
float diffuseCtrl = (shadowCtrl+specularMask*specularParams.z)*shadeCtrl;
vec3 envColor = cc_ambientGround.rgb*cc_ambientSky.w;
diffuseColor.rgb *= (envColor + (lightColor*diffuseCtrl));
}
PBR（Physically Based Rendering，基于物理的渲染）
PBR是最新的光照模型，它试图更真实地模拟光线与物体表面的相互作用，包括漫反射和镜面反射。PBR模型通常包括能量守恒和菲涅耳效应等物理原理，适用于模拟真实世界的渲染。
PBR的GLSL代码较长，通常包括对多个物理特性的计算，如粗糙度、金属度等。因此，这里不提供完整的PBR GLSL代码。
同时由于这个模型没有PBR贴图，所以在效果上也和BlinnPhong相差不大。
以上只是简化的Shader代码，真实的实现会更复杂，因为需要处理纹理、阴影、间接光照等因素。同时，代码中使用的变量（如lightPos，FragPos，norm，lightColor，ambient，objectColor等）会在顶点着色器（vertex shader）或其他地方进行计算和传递。
此外，不同的光照模型适用于不同的渲染风格，可以根据具体的需求和场景来选择使用。例如，无光照模型适合广告牌或者地面指引，朗伯模型适合无光泽的表面，卡通模型适合卡通或手绘风格的渲染，而PBR则适合模拟真实世界的高质量渲染。
常用功能
在Shader中，通常有一些常用的技术和术语，它们各自承担着不同的功能和目的。以下是你提到的一些概念的解释：
颜色（Color）：这通常是一个RGBA值，表示一个像素的基本颜色。R、G、B分别代表红色、绿色和蓝色，A代表透明度。这些值通常在0到1之间。
Albedo Map：又称Diffuse Map，是一种纹理贴图，主要表示物体表面的固有颜色，不受光照影响。
Alpha Test：Alpha测试是一种通过比较像素的Alpha值和预设阈值来决定是否丢弃像素的技术。这种技术常常用于实现透明和半透明效果。
Normal Map：Normal Mapping是一种用于模拟表面细节的技术。它使用RGB值来代表一个向量，这个向量描述了表面在每一点上的法线方向，使得物体表面看起来有更多的细节，使用Normal Map会增加显存，也会增加GPU贴图解析的压力。
Emissive Map：Emissive Map是一种纹理贴图，用于表示物体在没有外部光照的情况下自发的颜色和亮度，使用Emissive Map会增加显存，也会增加GPU贴图解析的压力。
Fog：雾是一种用于模拟大气效果的技术，它可以使远离观察者的物体看起来更模糊，颜色也会向雾的颜色过渡，使用雾效的开销不大，是营造氛围感的高性价比方法。
Image-Based Lighting (IBL)：IBL是一种使用全景图像来模拟环境光照的技术。它可以产生更真实的反射和阴影效果，IBL的开销较大，建议低端机型通过开关控制使用。
Rim Light：边缘光是一种模拟物体边缘被背光照亮的效果的技术，可以增加3D模型的立体感，各个材质中都可以开启，使用边缘光开销不大，可以有效提升卡通风格的立体感，也可以用作人物或者怪物受伤。
GPU Instancing：GPU Instancing是一种非常有效的技术，可以在3D场景中渲染大量相同的对象，而不会对性能产生太大的影响。这是通过让GPU一次性渲染多个实例，而不是单独渲染每个实例来实现的。
*通过GPU Instancing 减少了大量Drawcall
这些步骤通常在Fragment Shader中以以下的顺序进行：
1.颜色：首先，你需要知道物体的基本颜色，这通常通过读取Albedo贴图来实现。
2.Normal Map：然后，你可以应用Normal Map来改变物体表面的法线，从而模拟出更多的细节。
3.光照计算：接着，你可以进行光照计算，这通常包括环境光、漫反射光、镜面反射光等的计算。在计算过程中，你可能会用到Rim Light来增加边缘的亮度。
4.IBL：然后，你可以根据全景图片来计算IBL，使得环境的反射和阴影效果更真实。
5.Emissive Map：然后，你可以加上Emissive Map，使物体能在没有光源的情况下发光。
6.Alpha Test：最后，你可以进行Alpha测试，根据测试结果决定是否丢弃像素。
7.Fog：在所有的颜色和光照计算完毕后，你可以应用Fog效果，使远离观察者的物体颜色向雾的颜色过渡。
性能分析，光照模型对性能影响不大
这里测试故意没开Instancing和烘焙动画，只是单纯测试不同光照模型的渲染开销。
#instancing 数据如下：
我们发现PC上的现代GPU在处理这些光照模型时候，性能几乎相差不大，而且手机的高端机型也不会受很大影响，只有少数低端机上PBR性能会弱于Lambert。
同时我们观察到，使用阴影和描边（Outline）会使得顶点数翻倍，这是性能下降的主要原因，这主要有以下两个原因：
阴影生成：阴影通常是通过生成阴影映射（Shadow Map）来实现的。在这个过程中，场景需要从光源的视角进行一次额外的渲染。这意味着每个顶点需要被再次处理和光栅化，使得顶点数翻倍。
描边生成额外的几何体：在原始模型的基础上生成一个稍大的版本，然后渲染这个大版本的反面，形成描边效果。这种方法会导致顶点数翻倍，因为你实际上是渲染了两个模型。
所以建议大家还是基于游戏风格去选择光照模型，实测下来，PBR性能弱的主要原因是开启了IBL，同时还有各种PBR和Normal Map的贴图解析。
我在Blinn-Phong，Lambert模型内也写了简化版的IBL，大家可以下载Demo 体验一下。
好了老规矩Demo 15楼，码字不易 xD
