学习目标:

  • 漫反射Diffuse Shader,逐顶点计算和逐像素计算。
  • 半兰伯特(HalfLambert)光照模型。
  • 结合材质自身的色彩(Material Color)及环境光(Ambient)。

漫反射计算公式:

漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩

其中max(0, cos(光源方向和法线方向夹角))部分可以改用半兰伯特光照模型以增强背光面的光照效果。


逐顶点漫反射

  1. Shader "Custom/04-Diffuse Vertex" { // 逐顶点漫反射
  2. Properties{
  3. _Diffuse("Diffuse Color", Color) = (,,,) // 可在编辑器面板定义材质自身色彩
  4. }
  5. SubShader{
  6. Pass {
  7.  
  8. // 只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量
  9. Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}
  10.  
  11. CGPROGRAM
  12.  
  13. // 包含unity的内置的文件,才可以使用Unity内置的一些变量
  14. #include "Lighting.cginc" // 取得第一个直射光的颜色_LightColor0 第一个直射光的位置_WorldSpaceLightPos0(即方向)
  15. #pragma vertex vert
  16. #pragma fragment frag
  17.  
  18. fixed4 _Diffuse; // 使用属性
  19.  
  20. struct a2v
  21. {
  22. float4 vertex : POSITION; // 告诉Unity把模型空间下的顶点坐标填充给vertex属性
  23. float3 normal : NORMAL; // 告诉Unity把模型空间下的法线方向填充给normal属性
  24. float4 texcoord : TEXCOORD0; // 告诉Unity把第一套纹理坐标填充给texcoord属性
    // POSITON、NORMAL、TEXCOORD0都是Unity内置的变量
  25. };
  26.  
  27. struct v2f
  28. {
  29. float4 position : SV_POSITION; // 声明用来存储顶点在裁剪空间下的坐标
  30. float3 color : COLOR; // 用于传递计算出来的漫反射颜色
             // SV_POSITION、COLOR都是Unity内置的变量
  31. };
  32.  
  33. // 计算顶点坐标从模型坐标系转换到裁剪面坐标系
  34. v2f vert(a2v v)
  35. {
  36. v2f f;
  37. f.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); // UNITY_MATRIX_MVP是内置矩阵。该步骤用来把一个坐标从模型空间转换到剪裁空间
  38. // 环境光
  39. fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
  40.  
  41. // 法线方向。把法线方向从模型空间转换到世界空间
  42. fixed normalDir = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); // 反过来相乘就是从模型到世界,否则是从世界到模型
  43. // 光照方向
  44. fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说,光的位置就是光的方向,因为光是平行光
  45. // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩
  46. fixed3 diffuse = _LightColor0 * max(, dot(normalDir, lightDir)) * _Diffuse; // 融合材质自身色彩用乘法
  47. // 加上环境光
  48. f.color = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法(通常亮度会增加)
  49.  
  50. return f;
  51. }
  52.  
  53. // 计算每个像素点的颜色值
  54. fixed4 frag(v2f f) : SV_Target
  55. {
  56. return fixed4(f.color, ); // f.color是float3已经包含了三个数值
  57. }
  58.  
  59. ENDCG
  60. }
  61.  
  62. }
  63. FallBack "Diffuse"
  64. }

如果去掉自定义的_Diffuse(材质自身色彩)属性和环境光(Ambient),漫反射颜色值将仅由光源颜色来决定。白色光源的显示效果如下:

现在想要融合材质自身的颜色值来显示,编辑器面板选择一个材质自身的色彩,显示效果如下:

最后再加上环境光(UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT),能看到变白变亮了,效果如下:


逐像素漫反射

  1. Shader "Custom/05-Diffuse Fragment" { // 逐像素漫反射
  2. Properties{
  3. _Diffuse("Diffuse Color", Color) = (,,,) // 可在编辑器面板定义材质自身色彩
  4. }
  5. SubShader{
  6. Pass {
  7.  
  8. // 只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量
  9. Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}
  10.  
  11. CGPROGRAM
  12.  
  13. // 包含unity的内置的文件,才可以使用Unity内置的一些变量
  14. #include "Lighting.cginc" // 取得第一个直射光的颜色_LightColor0 第一个直射光的位置_WorldSpaceLightPos0(即方向)
  15. #pragma vertex vert
  16. #pragma fragment frag
  17.  
  18. fixed4 _Diffuse; // 使用属性
  19.  
  20. struct a2v
  21. {
  22. float4 vertex : POSITION; // 告诉Unity把模型空间下的顶点坐标填充给vertex属性
  23. float3 normal : NORMAL; // 告诉Unity把模型空间下的法线方向填充给normal属性
  24. float4 texcoord : TEXCOORD0;// 告诉Unity把第一套纹理坐标填充给texcoord属性
  25. };
  26.  
  27. struct v2f
  28. {
  29. float4 position : SV_POSITION; // 声明用来存储顶点在裁剪空间下的坐标
  30. float3 worldNomalDir : COLOR; // 用于存储世界空间下的法线方向
  31. };
  32.  
  33. // 计算顶点坐标从模型坐标系转换到裁剪面坐标系
  34. v2f vert(a2v v)
  35. {
  36. v2f f;
  37. f.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); // UNITY_MATRIX_MVP是内置矩阵。该步骤用来把一个坐标从模型空间转换到剪裁空间
  38.  
  39. // 法线方向。把法线方向从模型空间转换到世界空间
  40. f.worldNomalDir = (mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); // 反过来相乘就是从模型到世界,否则是从世界到模型
  41.  
  42. return f;
  43. }
  44.  
  45. // 计算每个像素点的颜色值
  46. fixed4 frag(v2f f) : SV_Target
  47. {
  48. // 环境光
  49. fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
  50. // 法线方向。
  51. fixed normalDir = normalize(f.worldNomalDir); // 单位向量
  52. // 光照方向。
  53. fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说,光的位置就是光的方向,因为光是平行光
  54. // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩
  55. fixed3 diffuse = _LightColor0 * max(, dot(normalDir, lightDir)) * _Diffuse; // 颜色融合用乘法
  56. // 加上环境光
  57. fixed3 tempColor = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法(亮度通常会增加)
  58.  
  59. return fixed4(tempColor, ); // tempColor是float3已经包含了三个数值
  60. }
  61.  
  62. ENDCG
  63. }
  64.  
  65. }
  66. FallBack "Diffuse"
  67. }

如下图,左边逐像素计算,右边逐顶点计算,在观察背光面阴影边缘时能看出明显差别,逐顶点计算的阴影过度呈块状的。


半兰伯特(HalfLambert)光照模型

直接修改上面frag函数中漫反射Diffuse颜色的计算公式。

  1. // 计算每个像素点的颜色值
  2. fixed4 frag(v2f f) : SV_Target
  3. {
  4. // 环境光
  5. fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
  6. // 法线方向。
  7. fixed normalDir = normalize(f.worldNomalDir); // 单位向量
  8. // 光照方向。
  9. fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说,光的位置就是光的方向,因为光是平行光
  10. // 半兰伯特光照
  11. float3 halfLambert = dot(normalDir, lightDir) * 0.5 + 0.5; // 使得背光面不至于为0全黑
  12. // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩
  13. fixed3 diffuse = _LightColor0 * halfLambert * _Diffuse; // 颜色融合用乘法
  14. // 加上环境光
  15. fixed3 tempColor = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法(亮度通常会增加)
  16.  
  17. return fixed4(tempColor, ); // tempColor是float3已经包含了三个数值
  18. }

可以看到在背光面也有了少量光照,明显没有旁边的对照组那么黑。


注意点:

  • 颜色融合是相乘,颜色叠加是相加(通常亮度会增加)。
  • 逐像素计算光照要比逐顶点计算光照更加消耗性能。

学习资料:

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