【Overload游戏引擎细节分析】Lambert材质Shader分析

一、经典光照模型：Phong模型

现实世界的光照是极其复杂的，而且会受到诸多因素的影响，这是以目前我们所拥有的处理能力无法模拟的。经典光照模型冯氏光照模型(Phong Lighting Model)通过单独计算光源成分得到综合光照效果，然后添加到材质表面特定的点。冯光照模型的主要由3个部分组成：环境(Ambient)、漫反射(Diffuse)和镜面(Specular)光照。

1. 环境光照(Ambient Lighting)： 即使在黑暗的情况下，世界上也仍然有一些光亮，所以物体永远不会是完全黑暗的。我们使用环境光照来模拟这种情况，也就是无论如何永远都给物体一些颜色。计算这个光照并不涉及任何关于光的方向或人眼观察场景方向。
2. 漫反射光照(Diffuse Lighting)：模拟一个发光物对物体的方向性影响(Directional Impact)。它是冯氏光照模型最显著的组成部分。面向光源的一面比其他面会更亮。Lambert方程是计算漫反射的一种方式。
3. 镜面光照(Specular Lighting)：也成高光项，模拟有光泽物体上面出现的亮点。镜面光照的颜色，相比于物体的颜色更倾向于光的颜色。
   

二、Lambert漫反射模型

兰伯特光照模型是经验模型，主要用于计算漫反射光照。漫反射有以下特点：

1. 反射强度与观察者的角度没有关系，向任何方向的反射都是一样的；
2. 反射强度与光线的入射角度有关系，当入射光垂直于物体表面时，光照最强，随着光线与法线夹角变大反射强度逐渐变小。
   

兰伯特定律（Lambert’s law）：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，夹角越大，受到的光线照射量越少，当夹角大于90度，光线照射物体背面，此时认为光照强度为0。


计算公式：
$$B_d=\mathbf{CI}cos(\theta )=\mathbf{CI}(\mathbf{L}\cdot \mathbf{N})$$
其中：
            C—光的颜色
            I —光照强度
            L—光源方向，入射光的反方向，默认已单位化
            N—物体的法向，默认已单位化

三、Overloal创建材料

Overload中在左下角Assert菜单上右键，可以找到创建材料的入口。其提供了Lambert材质，创建完成后，会在Material Editor面板找到其可配置参数。

Material Setting是渲染管线的配置，比较通用。Shader Setting是其使用的Shader入参，可以看到其可以设置一个漫反射贴图，还可设置漫反射的光颜色。所谓材料就是Shader+unform参数+贴图，其中Shader是其核心计算逻辑。下面就分析一下其使用的Shader。

四、shader分析

Lambert材质使用的Shader在Lambert.glsl文件中，其前半部分是Vertex Shader，后半部分是Fragment Shader，源码如下：

#shader vertex
#version 430 core

layout (location = 0) in vec3 geo_Pos; // 顶点坐标
layout (location = 1) in vec2 geo_TexCoords; // 顶点纹理坐标
layout (location = 2) in vec3 geo_Normal; // 顶点法线

layout (std140) uniform EngineUBO // UBO方式传入MVP矩阵
{
    mat4    ubo_Model;
    mat4    ubo_View;
    mat4    ubo_Projection;
    vec3    ubo_ViewPos;
    float   ubo_Time;
};

out VS_OUT    // 顶点着色器输出
{
    vec3 FragPos; // 顶点世界坐标系下的坐标
    vec3 Normal;  // 顶点法线
    vec2 TexCoords; // 顶点纹理
} vs_out;

void main()
{
    vs_out.FragPos      = vec3(ubo_Model * vec4(geo_Pos, 1.0)); // 使用模型矩阵计算全局坐标系下的坐标
    vs_out.Normal       = normalize(mat3(transpose(inverse(ubo_Model))) * geo_Normal); // 计算全局坐标系下的法线
    vs_out.TexCoords    = geo_TexCoords; // 纹理坐标不用变

    gl_Position = ubo_Projection * ubo_View * vec4(vs_out.FragPos, 1.0); // 计算NDC坐标
}

#shader fragment
#version 430 core

out vec4 FRAGMENT_COLOR;

in VS_OUT
{
    vec3 FragPos;
    vec3 Normal;
    vec2 TexCoords;
} fs_in;

uniform vec4        u_Diffuse = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0); // 漫反射光颜色
uniform sampler2D   u_DiffuseMap;   // 漫反射贴图
uniform vec2        u_TextureTiling = vec2(1.0, 1.0); 
uniform vec2        u_TextureOffset = vec2(0.0, 0.0);

const vec3 c_lightPosition    = vec3(-9000.0, 10000.0, 11000.0); // 光源位置
const vec3 c_lightDiffuse     = vec3(1.0, 1.0, 1.0);  // 光源强度
const vec3 c_lightAmbient     = vec3(0.3, 0.3, 0.3); // 环境光强度

vec3 Lambert(vec3 p_fragPos, vec3 p_normal)
{
    const float diffuse = max(dot(p_normal, normalize(c_lightPosition - p_fragPos)), 0.0); // L点乘N
    return clamp(c_lightDiffuse * diffuse + c_lightAmbient, 0.0, 1.0); // 漫反射与环境光叠加
}

void main()
{
    const vec4 diffuse = texture(u_DiffuseMap, u_TextureOffset + vec2(mod(fs_in.TexCoords.x * u_TextureTiling.x, 1), mod(fs_in.TexCoords.y * u_TextureTiling.y, 1))) * u_Diffuse; // 获取贴图颜色
    FRAGMENT_COLOR = vec4(Lambert(fs_in.FragPos, fs_in.Normal) * diffuse.rgb, diffuse.a);
}

Vertex Shader的入参有顶点坐标、纹理坐标、法线、模型视图投影矩阵。其逻辑很简单，没有特殊操作，计算法线、NDC坐标完事。
Fragment Shader中，先从纹理中获取片元颜色并与设置的环境光颜色相乘，这是最强的光颜色。如果贴图没有设置，那么texture函数返回的是1.0，至于原因前面的文章中分析过。函数Lambert是核心计算逻辑，包含了Lambert计算公式，其先计算L，在与法线点乘，最终结果就是$cos(\theta )$。漫反射的光强度与环境光强度都是写死的。两者累计，用clamp保证最终结果在0到1之间，修正了$cos(\theta )<0$的情况。可见这种材质没有高光成分。