Unity中Shader的光照衰减
文章目录
- 前言
- 一、衰减原理
-
- 1、使用一张黑白渐变贴图用于纹理采样
- 2、把模型从世界坐标转化为灯光坐标（即以灯光为原点的坐标系）
- 3、用转化后的模型坐标，对黑白渐变纹理进行纹理采样
- 4、最后，把采样后的结果与光照模型公式的结果相乘输出
- 二、光照衰减实现
-
- 1、Unity内部已经给我们提供了一张非线性黑白渐变的UV贴图
- 2、把模型从世界坐标转化到灯光坐标下（使用矩阵相乘实现转化的效果）
- 3、使用Unity自带的光照衰减贴图进行纹理采样
- 4、最终效果
- 测试代码
- 三、使用Unity自带的方法，实现光源的衰减效果
-
- 最终代码
前言
Unity中Shader的光照衰减
一、衰减原理
1、使用一张黑白渐变贴图用于纹理采样
2、把模型从世界坐标转化为灯光坐标（即以灯光为原点的坐标系）
3、用转化后的模型坐标，对黑白渐变纹理进行纹理采样
4、最后，把采样后的结果与光照模型公式的结果相乘输出
二、光照衰减实现
1、Unity内部已经给我们提供了一张非线性黑白渐变的UV贴图
这张UV贴图名字是固定的：_LightTexture0
注意：需要引入库 AutoLight.cginc
使用模型的uv进行采样，看看这张图大概的样子
fixed atten = tex2D(_LightTexture0,i.uv);
return atten;
把这个Shader的材质球给一个面片就可以看见这张渐变图
但是，这个测试效果并不是我们需要的
2、把模型从世界坐标转化到灯光坐标下（使用矩阵相乘实现转化的效果）
1.在 v2f 中定义一个 float3 类型的 TEXCOORD，来存放顶点坐标转化到世界坐标之后坐标信息
float3 worldPos : TEXCOORD2;
2.在顶点着色器中，把模型顶点的本地坐标转化为世界坐标(使用了unity_ObjectToWorld矩阵)
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
3.把模型顶点从世界坐标转化为灯光坐标(使用了unity_WorldToLight矩阵)
//因为转化时使用的是4行的矩阵，所以 要把模型的顶点坐标增加一个w = 1,使坐标转化准确
float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight,float4(i.worldPos,1)).xyz;
在这里，我们输出一下lightCoord的灰度图看一下效果
return lightCoord.x;
3、使用Unity自带的光照衰减贴图进行纹理采样
fixed atten = tex2D(_LightTexture0,dot(lightCoord,lightCoord));
注意：这里的纹理采样不能直接使用lightCoord
可以这样理解，我们需要的效果是灯光靠近模型之后
越近，采样越靠uv的左边，灯光越亮（白色）
那么我们就可以使用lightCoord的点积来给光照衰减uv进行纹理采样
不使用模长的原因：向量点积计算量比计算模长计算量小
可以由下图理解，当 a 模长越小，dot(a,a)越小
则在纹理采样时，越靠近纹理的左边（白色）
5.最后，使用纹理采样后的结果和光的颜色相乘来模拟光照衰减
fixed4 LightColor = _LightColor0 * atten;
4、最终效果
测试代码
Shader "MyShader/P1_5_5"
{
Properties
{
//光照系数
_DiffuseIntensity("Diffuse Intensity",float) = 1
}
SubShader
{
Tags { "RenderType"="Opaque" }
Pass
{
Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
//在应用程序阶段传入到顶点着色器中，时加入顶点法向量信息
half3 normal:NORMAL;
};
struct v2f
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
//定义一个3维向量，用于接受世界坐标顶点法向量信息
half3 worldNormal:TEXCOORD1;
};
half _DiffuseIntensity;
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//把顶点法线本地坐标转化为世界坐标
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
//Lambert光照模型的结果
//Diffuse = Ambient + Kd * LightColor * max(0,dot(N,L))
//使用 Unity 封装的参数 获取环境光色
float Ambient = unity_AmbientSky;
//在属性面板定义一个 可调节的参数 用来作为光照系数，调节效果的强弱
half Kd = _DiffuseIntensity;
//获取主平行光的颜色
fixed4 LightColor = _LightColor0;
//获取顶点法线坐标(让其归一化)
fixed3 N = normalize(i.worldNormal);
//获取反射点指向光源的向量(因为内置了获取的方法，所以不用向量减法来计算)
fixed3 L = _WorldSpaceLightPos0;
//使用Lambert公式计算出光照
//fixed4 Diffuse = Ambient + (Kd * LightColor * dot(N,L));
//因为 当 顶点法线 与 反射点指向光源的向量 垂直 或成钝角时，光照效果就该忽略不计
//所以，这里使用 max(a,b)函数来限制 点积的结果范围
fixed4 Diffuse = Ambient + Kd * LightColor * max(0,dot(N,L));
return Diffuse;
}
ENDCG
}
Pass
{
Tags{"LightMode"="ForwardAdd"}
Blend One One
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
//加入Unity自带的宏，用于区分不同的光照
//只声明我们需要的变体
//#pragma multi_compile POINT SPOT
#pragma multi_compile_fwdadd
//剔除我们不需要的变体
#pragma skip_variants DIRECTIONAL POINT_COOKIE DIRECTIONAL_COOKIE
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
//使用光照衰减贴图，需要引入 AutoLight.cginc 库
#include "AutoLight.cginc"
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
//在应用程序阶段传入到顶点着色器中，时加入顶点法向量信息
half3 normal:NORMAL;
};
struct v2f
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
//定义一个3维向量，用于接受世界坐标顶点法向量信息
half3 worldNormal:TEXCOORD1;
//定义一个三维向量，用于存放模型顶点 从本地坐标 转化为 世界坐标
float3 worldPos : TEXCOORD2;
};
half _DiffuseIntensity;
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//把顶点法线本地坐标转化为世界坐标
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
//把模型顶点从本地坐标转化为世界坐标
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
o.uv = v.uv;
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
/*#if POINT
return fixed4(0,1,0,1);
#elif SPOT
return 0;
#endif*/
//把模型顶点从世界坐标转化为灯光坐标
//unity_WorldToLight
//从世界空间转换到灯光空间下，等同于旧版的_LightMatrix0
//因为转化时使用的是4行的矩阵，所以 要把模型的顶点坐标增加一个w = 1,使坐标转化准确
float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight,float4(i.worldPos,1)).xyz;
//return lightCoord.x;
//使用Unity自带的光照衰减贴图进行纹理采样
fixed atten = tex2D(_LightTexture0,dot(lightCoord,lightCoord));
//获取主平行光的颜色
fixed4 LightColor = _LightColor0 * atten;
//获取顶点法线坐标(让其归一化)
fixed3 N = normalize(i.worldNormal);
//获取反射点指向光源的向量(因为内置了获取的方法，所以不用向量减法来计算)
fixed3 L = _WorldSpaceLightPos0;
//因为计算点光源时不需要考虑环境光，所以在Lambert光照模型中删除环境光的影响
fixed4 Diffuse = LightColor * max(0,dot(N,L));
return Diffuse;
}
ENDCG
}
}
}
效果：
三、使用Unity自带的方法，实现光源的衰减效果
自己写光照衰减 和 使用Unity自带的方法 实现光照衰减需要根据情况而定
destName:out用于存放衰减值得变量
input:用于控制阴影的变量（目前用不上，传入0）
worldPos:模型的世界坐标
UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten,0,i.worldPos)
最终代码
Shader "MyShader/P1_5_5"
{
Properties
{
//光照系数
_DiffuseIntensity("Diffuse Intensity",float) = 1
}
SubShader
{
Tags { "RenderType"="Opaque" }
Pass
{
Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
//在应用程序阶段传入到顶点着色器中，时加入顶点法向量信息
half3 normal:NORMAL;
};
struct v2f
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
//定义一个3维向量，用于接受世界坐标顶点法向量信息
half3 worldNormal:TEXCOORD1;
};
half _DiffuseIntensity;
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//把顶点法线本地坐标转化为世界坐标
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
//Lambert光照模型的结果
//Diffuse = Ambient + Kd * LightColor * max(0,dot(N,L))
//使用 Unity 封装的参数 获取环境光色
float Ambient = unity_AmbientSky;
//在属性面板定义一个 可调节的参数 用来作为光照系数，调节效果的强弱
half Kd = _DiffuseIntensity;
//获取主平行光的颜色
fixed4 LightColor = _LightColor0;
//获取顶点法线坐标(让其归一化)
fixed3 N = normalize(i.worldNormal);
//获取反射点指向光源的向量(因为内置了获取的方法，所以不用向量减法来计算)
fixed3 L = _WorldSpaceLightPos0;
//使用Lambert公式计算出光照
//fixed4 Diffuse = Ambient + (Kd * LightColor * dot(N,L));
//因为 当 顶点法线 与 反射点指向光源的向量 垂直 或成钝角时，光照效果就该忽略不计
//所以，这里使用 max(a,b)函数来限制 点积的结果范围
fixed4 Diffuse = Ambient + Kd * LightColor * max(0,dot(N,L));
return Diffuse;
}
ENDCG
}
Pass
{
Tags{"LightMode"="ForwardAdd"}
Blend One One
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
//加入Unity自带的宏，用于区分不同的光照
//只声明我们需要的变体
//#pragma multi_compile POINT SPOT
#pragma multi_compile_fwdadd
//剔除我们不需要的变体
#pragma skip_variants DIRECTIONAL POINT_COOKIE DIRECTIONAL_COOKIE
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
//使用光照衰减贴图，需要引入 AutoLight.cginc 库
#include "AutoLight.cginc"
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float2 uv : TEXCOORD0;
//在应用程序阶段传入到顶点着色器中，时加入顶点法向量信息
half3 normal:NORMAL;
};
struct v2f
{
float2 uv : TEXCOORD0;
float4 vertex : SV_POSITION;
//定义一个3维向量，用于接受世界坐标顶点法向量信息
half3 worldNormal:TEXCOORD1;
//定义一个三维向量，用于存放模型顶点 从本地坐标 转化为 世界坐标
float3 worldPos : TEXCOORD2;
};
half _DiffuseIntensity;
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//把顶点法线本地坐标转化为世界坐标
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
//把模型顶点从本地坐标转化为世界坐标
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
o.uv = v.uv;
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
/*#if POINT
return fixed4(0,1,0,1);
#elif SPOT
return 0;
#endif*/
//把模型顶点从世界坐标转化为灯光坐标
//unity_WorldToLight
//从世界空间转换到灯光空间下，等同于旧版的_LightMatrix0
//因为转化时使用的是4行的矩阵，所以 要把模型的顶点坐标增加一个w = 1,使坐标转化准确
//float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight,float4(i.worldPos,1)).xyz;
//return lightCoord.x;
//使用Unity自带的光照衰减贴图进行纹理采样
//fixed atten = tex2D(_LightTexture0,dot(lightCoord,lightCoord));
//使用Unity自带的方法实现光照衰减
UNITY_LIGHT_ATTENUATION(atten,0,i.worldPos)
//获取主平行光的颜色
fixed4 LightColor = _LightColor0 * atten;
//获取顶点法线坐标(让其归一化)
fixed3 N = normalize(i.worldNormal);
//获取反射点指向光源的向量(因为内置了获取的方法，所以不用向量减法来计算)
fixed3 L = _WorldSpaceLightPos0;
//因为计算点光源时不需要考虑环境光，所以在Lambert光照模型中删除环境光的影响
fixed4 Diffuse = LightColor * max(0,dot(N,L));
return Diffuse;
}
ENDCG
}
}
}