【Unity Shader】（１）兰伯特模型 逐顶点光照 和 逐像素光照 分别实现 漫反射光照模型

使用逐顶点光照在unityShader中实现漫反射效果

• 漫反射公式——兰伯特模型

  首先需要了解基本光照模型中，漫反射（Diffuse）的

  兰伯特模型
  
  兰伯特模型 共有4个参数

• 入射光线的颜色和强度—— C light

• 材质的漫反射系数—— M diffuse

• 表面法线—— n

• 光源方向—— I

为了避免 n 和 I 的点积为负值，我们需要使用max来操作。但在Unity Shader中，我们可以使用 saturate(x)函数达到相同的效果。

其中，x可以是操作的标量或矢量，即float、float2、float3等类型
saturate会把传进来的x截取在[0,1]的范围内，如果x是一个矢量，那么就会对它的每一个分量进行截取操作。

• 光照原理

在宏观上，渲染可以分为一下两个：
1、决定像素是否可见；
2、决定像素的光照计算。

在这一片博客，我们主要探讨第二点——光照的计算。

• 部分疑问？

计算光照的公式有很多，我们使用的是兰伯特模型，但是如何理解其中的变量值？为什么会有阴影的部分？为什么有些部分的颜色与其他部分不同？

• Q：我们探讨为什么有些光亮的颜色不同：
  A：在Unity之中，假设一个平行光源带来的每条光线间隔为 d ，那么如果是正午，也就是平行光源正向下照射，那么我们可以轻易知道，此时找到物体表面的光线间隔其实也是为 d 的。但是如果光线不是正下直射，而是有点倾斜角度（清晨或黄昏时），那么如果平行光带来的光线间隔仍为 d 时，照到物体上的间距其实已经不是 d 了，因为在光线数量有限的Unity中，发生了角度的偏移。下图可以更直观的展示这个结论：
  

• Q：兰伯特公式是如何在Shader中工作的？
  A：在上图中，cosθ可以使用 光源方向 l 和表面法线 n 的 点积求得。而兰伯特模型中，尾部的部分，就是 光源方向 与 表面法线 点积。结合下图可以更轻易的了解：

（图片取自知乎@俊铭）

根据上图，可以分为右上角的三个情况。再结合兰伯特公式，最终可以作为权重来控制颜色的输出。当点积的值小于0时，直接颜色权重变为0，（因为要控制在[ 0 , 1]的区间内）最终导致颜色为0，阴影的产生。

代码开始：

• 逐顶点光照

1. 创建一个空场景（只有摄像机和平行光），删除该场景中的天空盒。

2. 新建一个材质，命名为Mat_Diffuse。

3. 新建一个UnityShader，命名为Sha_DIffuse并将该Shader赋值给Mat_Diffuse。

4. 在场景中新建一个胶囊体，将Mat_Diffuse赋予该物体。

5. 保存，开始编辑Shader代码：

①删除第3步新建的Shader里的默认代码。

②为了控制该Shader的颜色，我们需要在Properties中添加漫反射颜色

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

（这里更加类似于 C# 脚本的 Public Color _Diffuse;）

③在SubShader之中定义Pass语义块。在Pass的一开始就指名该Pass的光照模式：

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

只有正确定义了LightMode，我们才可以在后续得到内置的光照变量。

④声明vertex和fragment着色器 并 包含Lightint.cginc

#pragma vertex vert
#pragma