UnityShader入门精要笔记1——顶点/片元着色器结构与BRDF（基本光照模型）——实现漫反射
文章目录
- BRDF（基本光照模型）
- 实现漫反射
- 光线强度的计算
- 好现在开始写Shader
- 新建Shader
- 添加一个Properties语义块
- 添加SubShader和Pass。
- 使用CG/HLSL语言来编写顶点/片元着色器
- 定义a2v和v2f结构体
- 包含头文件以及声明属性变量
- 编写顶点着色器
- 编写片元着色器
- 将法线向量和光源方向归一化（转为长度为1的单位向量）
- 计算光线强度并返回颜色
- 增加对灯光颜色的考虑
- 包含头文件
- 修改片元着色器
- 另一种实现，半兰伯特模型
- 修改片元着色器
BRDF（基本光照模型）
基本光照模型一共有四种。分别为环境光，自发光，漫反射，高光反射，我们先来实现漫反射
实现漫反射
光线强度的计算
在开始实现漫反射之前，我们需要了解一个概念：辐射度
下图使用兰伯特模型进行漫反射光计算（并且只进行了漫反射光计算），正面对着光线方向的部分最亮，然后逐渐变淡，
兰伯特模型
反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比
（也就是使用我们刚刚的“辐射度”作为漫反射光的强度）
好现在开始写Shader
我们按书里的流程写一个顶点/片元着色器来实现漫反射
新建Shader
首先新建一个Unity Shader，把原有代码全部删除，然后给shader起个名字
Shader "Diffuse-Lambert" {
}
添加一个Properties语义块
为Shader添加一个Properties 语义块，声明我们需要的属性。
Properties 语义块是材质和Unity Shader的桥梁，它包含了一系列属性，这些属性会出现在检查器窗口的材质面板中。【candycat】
Shader "Diffuse-Lambert" {
Properties {
//_Color 为属性标识符，我们会在稍后的Shader编写中使用这个名字
//"Color Tint" 为在检查器窗口中显示的属性名称
//Color 为属性的类型
//等号右边的是属性的默认值，在这里四个1代表为“白色”
_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色
}
}
此时在Unity中随意新建一个材质，并把我们的Diffuse-Lambert着色器拖到材质上，就可以在检查器面板看到我们刚刚声明的属性了
添加SubShader和Pass。
每一个Unity Shader可以定义多个SubShader，但最少要有一个。当Unity需要加载这个UnityShader时，Unity会扫描所有的SubShader语义块，并选出当前显卡能够支持的第一个SubShader运行。【candycat】
Shader "RefShader" { //属性 Properties { } //显卡A使用的子着色器 SubShader { } //显卡B使用的子着色器 SubShader { } }
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色
}
SubShader {
//如果支持的话，当前显卡会使用这个子着色器
//不支持就靠 Fallback了
}
}
SubShader中定义了一系列Pass以及可选的状态和标签，每个Pass定义了一次完整的渲染流程，所以我们应该尽量使用最小数目的Pass。
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色
}
SubShader {
Pass {
//在这里会进行一次完整的渲染
}
}
}
在Pass中，我们设置标签LightMode为ForwardBase（向前渲染），这是为了Unity能够按向前渲染路径的方式为我们正确提供各个光照变量
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //向前渲染
}
}
}
使用CG/HLSL语言来编写顶点/片元着色器
我们使用 CGPROGRAM作为CG/HLSL语言的开始符，而ENDCG是结束符。
在CG开始后，我们先来申明vert函数（顶点着色器，逐顶点渲染）和frag函数（片元着色器，逐片元渲染）
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //向前渲染
CGPROGRAM //CG开始
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
//app to vert，顶点着色器的输入类型，获取当前顶点的信息（由程序给出的）
struct a2v {
};
//vert to frag，片元着色器的输入类型，获取当前片元的信息（由顶点着色器输出的数据再插值得到的）
struct v2f {
};
//顶点着色器，逐顶点运行，输入a2v是当前顶点的信息，输出v2f给片元着色器
v2f vert(a2v v) {
}
//片元着色器，逐片元运行，输入v2f是当前片元的信息，输出颜色
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
}
ENDCG //CG结束
}
}
}
这个流水线大约是这样子的：
Created with Raphaël 2.2.0 开始 程序给出当前顶点信息（a2v） 顶点着色器 储存当前顶点信息（v2f） 顶点遍历完了？ 三角形设置： 连接顶点得到三角形网格 三角形遍历： 检查每个像素，判断是否被一个三角形所覆盖。 如果是的话就由该像素生成一个片元，并使用三 角网格的3个顶点信息插值得到该片元的信息。 划重点：片元其实就是一个像素带着它的信息 （我们在v2f中（也就是顶点着色器的返回中）定 义需要的信息），这些信息由片元所在的三角形 顶点信息插值生成 获取当前片元信息（v2f） 片元着色器 输出当前片元颜色到颜色缓冲区 片元遍历完了？ 结束 yes no yes no
定义a2v和v2f结构体
现在我们的a2v还没有任何字段，也就是说我们的顶点着色器（vert）什么输入都没有，让我们使用语义来给它增加一些数据。
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //向前渲染
CGPROGRAM //CG开始
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
struct a2v {
//POSITION语义告诉Unity，用模型空间中当前顶点的坐标填充vertex变量
float4 vertex : POSITION;
//NORMAL语义告诉Unity，用模型空间中当前顶点法的线方向填充normal变量
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
};
v2f vert(a2v v) {
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
}
ENDCG //CG结束
}
}
}
接着给我们的v2f定义结构体，以确保我们在稍后的片元着色器中能够有足够的数据进行运算
我们回顾一下兰伯特模型：
反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比
也就是说，只要得到了片元的表面法线和光源方向，我们就能得到该片元漫反射光线的强度。
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //向前渲染
CGPROGRAM //CG开始
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
//SV_POSITION语义告诉Unity，pos里包含了顶点在裁剪空间中的位置信息
//这也是顶点着色器最重要的一个工作：将顶点坐标从模型空间转换到裁剪空间
float4 pos : SV_POSITION;
//TEXCOORD0语义表示worldNormal变量占用了TEXCOORD0插值寄存器
//每个插值寄存器可以存储4个浮点值（float）
float3 worldNormal : TEXCOORD0; //世界空间下的顶点法线向量
float3 worldLightDir : TEXCOORD1; //世界空间下的光源位置
};
v2f vert(a2v v) {
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
}
ENDCG //CG结束
}
}
}
包含头文件以及声明属性变量
在正式开始计算之前，为了使用一些Unity内置的变量和函数，我们需要包含进内置文件 "UnityCG.cginc"
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc" //包含内置文件"UnityCG.cginc"
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldLightDir : TEXCOORD1;
};
v2f vert(a2v v) {
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
}
ENDCG
}
}
}
而为了可以使用我们在Properties 语义块中定义的属性（那个_Color），我们需要在CG中对属性进行申明
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
fixed4 _Color; //这里的变量名需要和属性的名字完全一致
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldLightDir : TEXCOORD1;
};
v2f vert(a2v v) {
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
}
ENDCG
}
}
}
编写顶点着色器
好了，开始写我们的顶点着色器（vert函数）。首先申明一个v2f类型的变量，对结构体中的字段依次赋值，最后将其返回。
v2f vert(a2v v) {
//申明返回值v2f
v2f o;
//这是顶点着色器最重要的一个任务，将顶点坐标从模型空间转换到裁剪空间
//UnityObjectToClipPos函数接受一个模型空间的坐标，返回该坐标在裁剪空间的坐标
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//UnityObjectToWorldNormal函数接受一个模型空间的法线向量，将其转换到世界空间中并返回
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
//WorldSpaceLightDir函数接受一个模型空间中的顶点位置，并返回世界空间中从该点到光源的光照方向。未被归一化。（由于是平行光，任何点的光照方向都是一样的，参数填fixed(0)都可以）
o.worldLightDir = WorldSpaceLightDir(v.vertex);
return o;
}
经过顶点着色器的处理，我们的每个片元中已经包含我们需要的两个信息：法线向量和光源方向。现在，让我们在片元着色器中为每个片元计算他们的光线强度
编写片元着色器
将法线向量和光源方向归一化（转为长度为1的单位向量）
由于我们稍后要用点积来求得两向量夹角的cos值，而点积的公式是a·b=|a||b|cosθ（θ为a和b的夹角），很明显，只有当a和b均为单位向量时，点积的结果才会是我们要的两向量的cos值。
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
//使用normalize()函数对向量进行归一化
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);
}
计算光线强度并返回颜色
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);
//saturate()函数可以将值截取到[0,1]，而dot()函数用于计算两向量间的点积
//计算出光线强度后，和我们的_Color属性相乘，就能实现一个亮度更改了
fixed3 diffuse = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)) * _Color;
//返回计算完成的颜色
return fixed4(diffuse, 1.0);
}
增加对灯光颜色的考虑
刚刚的计算我们实际上忽略了灯光的颜色，现在我们获取灯光颜色并加入计算。
包含头文件
为了获取灯光颜色，我们需要先在CG中包含头文件 "Lighting.cginc"
Shader "Diffuse-Lambert"{
Properties{
_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc" //额外包含一个"Lighting.cginc"
#include "UnityCG.cginc"
fixed4 _Color;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldLightDir : TEXCOORD1;
};
v2f vert(a2v v)
{
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
o.worldLightDir = WorldSpaceLightDir(v.vertex);
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);
fixed3 diffuse = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)) * _Color;
return fixed4(diffuse, 1.0);
}
ENDCG
}
}
}
修改片元着色器
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);
//直接乘上灯光颜色 _LightColor0
fixed3 diffuse = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)) * _Color * _LightColor0;
return fixed4(diffuse, 1.0);
}
另一种实现，半兰伯特模型
在兰伯特模型中，光照无法到达的区域，模型的外观通常是全黑的，没有任何明暗变化，这会使模型的背光区域看起来就像一个平面一样，失去了模型细节表现。【candycat】
Valve公司在开发《半条命》时提出了一个新技术，被称为半兰伯特光照模型。在半兰伯特模型中，我们不将片元上法线向量和光源方向的cos值截取到[0, 1]，而是为这个cos值乘上α倍的缩放然后加上一个β大小的位移，通常，α和β都是0.5。也就是说，半兰伯特模型将法线向量和光源方向的cos值从[-1, 1]映射到了[0, 1]。
修改片元着色器
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);
//兰伯特模型
//fixed3 diffuse = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)) * _Color * _LightColor0;
//半兰伯特模型
fixed3 diffuse = (dot(worldNormal, worldLightDir) * 0.5 + 0.5) * _Color* _LightColor0;
return fixed4(diffuse, 1.0);
}
