Shader-基础光照-漫反射光照模型

####漫反射(diffuse)
当光线从光源照射到模型表面,该表面回向每个方向散射多少辐射量
漫反射符合兰伯特定律:反射光线的强度与表面法线与光源方向之间的夹角的余弦值成正比.
漫反射的计算:

n表面法线和l指向光源的向量的单位向量点乘来表示余弦值,用max防止点乘结果为负数,防止物体被从后面来的光源照亮.
由公式可知,计算漫反射的结果需要四个参数:
1.入射光线颜色和强度
2.材质的漫反射系数
3.表面法线
4.光源方向
在cg中我们使用saturate函数来事先max的操作

逐顶点光照:也被称为高落德着色,在每个顶点计算光照,在渲染图元内部进行插值.光照模型中出现非线性的计算时,会出现问题.
逐像素光照:Phong着色,在片面之间对顶点法线进行插值.

###漫反射的逐顶点光照的实现:

Properties{
		_Diffuse("Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
	}

在Properties中声明一个color用来得到材质的漫反射材质

SubShader{
			Pass{
				Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}

LightMode是一种Pass标签,用来定义该Pass在Unity流水线中的角色

CGPROGRAM
				#pragma vertex vert
				#pragma fragment frag
				#include "Lighting.cginc"

导入Unity的内置文件Lighting.cginc,使用Unity内置变量需要
为了在Shader中使用Properties的属性,需要定义一个和该属性类型相匹配的变量

fixed4 _Diffuse;

两个结构体

                struct a2v {
					float4 vertex : POSITION;
					float4 normal : NORMAL;
				};
				struct v2f {
					float4 pos : SV_POSITION;
					fixed3 color : COLOR;
				};

在顶点着色器中计算漫反射部分

v2f vert(a2v v) {
					v2f o;
					o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
					fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
					fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject));
					float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
					fixed3 diffuse = _LightColor0 * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldLight,worldNormal));
					o.color = diffuse + ambient;
					return o;
				}

1.基本任务将模型顶点从模型空间转换到裁剪空间.
2.通过Unity内置变量获取环境光部分
3.法线变换,将法线与变换矩阵的逆转置的矩阵进行矩阵乘法,得到正确的变换后的法线(在世界坐标下),这里法线是一个三维矢量,变换矩阵只需截取3x3即可
4.直接使用_WorldSpaceLightPos()得到平行光
5.通过上面的公式计算得到diffuse
6.将得到的颜色信息在frag中进行输出

###逐像素光照
对Shader进行一些修改来实现逐像素的漫反射效果,代码改变部分

struct v2f {
					float4 pos : SV_POSITION;
					fixed3 worldNormal : TEXCOORD0;
				};
				v2f vert(a2v v) {
					v2f o;
					o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
					o.worldNormal = mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject);
					return o;
				}
				fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{
					fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
					fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
					float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
					fixed3 diffuse = _LightColor0 * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldLight, worldNormal));
					fixed3 color = diffuse + ambient;

					return	fixed4(color, 1.0);
				}

我们将每次的计算放在fragment中进行,得到的结果更加平滑.但是即使我们加入了环境光,仍然无法解决背光面明暗一样的情况,为了改善这种情况,我们使用下面的光照模型
###半兰伯特模型

我们对点乘结果进行α倍数的缩放在加上β的偏移,大多数情况下两个值为0.5
这样我们将[-1,1]映射到[0,1],在此模型下背光面也有明暗变化,此模型没有物理依据,仅作为视觉增强的效果.
背面效果图: