shader学习之路（1）- half lambert

在学习这个shader之前先提个常用概念，即光照模型，LightModel（光照模型）即是对于物体怎么对打在其上的光做出视觉反应的数学模型，意即表达物体对光反应产生的视觉效果与入射光、物体表面属性等数值相关联的数学表达。

大致了解了光照模型的概念，接下来介绍下今天的主角，Half Lambert模型，该模型是Valve在开发经典游戏《Half-Life(半衰期)》（半条命这个译名真是后无古人的误翻啊……）是发明的，在以前的游戏中，一旦模型背对着光源，模型表面的亮度会立刻降低，使得整个模型显得平面化，毕竟游戏世界并非像现实中有各种漫散射光能照亮背光的一面，所以half-lambert算法提高了物体在背对光源时的亮度，由于其并非根据真实物理推算出来的结果，而仅仅是一种视觉感受的提升，所以其实现方式并不复杂，很多shader入门书籍都介绍过这种算法，不必担心完全看不懂。

未启用/启用half-lambert算法（右侧为启用）

现在我们来看看怎么实现这个算法，首先因为vs对shader关键字高亮支持并不太好（联网工具包中的shader高亮插件其实还行），所以可以用引擎自带的mono dev或者sublime text来编写Cg文件，这个看大家个人喜好了，有空我会介绍下vs和sublime text对shader关键字高亮的设置。

打开unity3d，在project栏中的Assets下建立Materials Shader两个文件夹（良好的资源管理是开发工程的必要前提），在shader中创建一个surface shader并将之命名为halfLambert。

打开shader文件，可以看到默认的属性栏Properties，这下面的变量不仅要在下面的代码中使用，同时也能在引擎的inspector中进行调整。

现在我们将其修改为如下属性：

接下来在SubShader块中，可以看到这样一段定义

这是定义shader所使用的光照模型，因为我们是自定义模型，所以要改为

还记得先前在Properties定义的三个变量吗，只在Properties中声明的话虽然能在inspector中看到，但还不能在subshader中使用，所以在SubShader块中需要再次声明，如下图

接下来我们开始编写该模型的主要部分，如下

这个函数的命名是有规则的，Lighting+模型名，该模型名称就是你刚才是在#pragma surface中命名的模型名称，这样unity就能自行编译链接该shader所使用的模型。

整个half-lambert模型的关键在于此

Lambert模型中的difLight在dot()方法下，处于[0,1]的范围中，因此hLambert的范围就在[0.5,1]中，提高了整体的漫反射值，其值的变化如下

剩余的则是surf代码

写完了shader代码后，现在需要将shader使用在物体上，在Material中建立一个新的Material，并将该shader拖入其中

在场景中建立一个Sphere后，将该Material赋予其中

最后效果如图，右侧是未使用half-lambert算法的效果，可以看到half-lambert的确是明显提升了物体材质表面的亮度，在视觉上更加明亮。

完整代码如下：

Shader "Custom/halfLambert" {
	Properties {
		_EmissiveColor("Emissive Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_AmbientColor("Ambient Color", color) = (1, 1, 1, 1)
		_SliderValue("Slider", Range(0,10)) = 2.5
	}
	SubShader {
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 200
		
		CGPROGRAM
		// Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
		#pragma surface surf HalfLambert

		// Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
		#pragma target 3.0

		float4 _EmissiveColor;
		float4 _AmbientColor;
		float _SliderValue;

		inline float4 LightingHalfLambert(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten)
		{
			float difLight = max(0, dot(s.Normal, lightDir));
			float hLambert = difLight * 0.5 + 0.5;

			float4 col;
			col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (hLambert * atten * 2);
			col.a = s.Alpha;
			return col;
		}

		struct Input
		{
			float2 uv_MainTex;
		};
		
		void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o)
		{
			float4 c;
			c = pow((_EmissiveColor + _AmbientColor), _SliderValue);

			o.Albedo = c.rgb;
			o.Alpha = c.a;
		}
		ENDCG
	}
	FallBack "Diffuse"
}

P.S 初次写有关3d图形学的博客，时间仓促，还有好多内容没有说明白，还请各路大佬多多指导！

参考书目：

1.Unity Shaders and Effects Cookbook - (美)Kenny Lammers

2.Unity3d shader 编程 - 98jy.net，化石（编）