Unity3d Shader篇（三）— 片元半兰伯特着色器解析

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前言

在 Unity 中，Shader 可以用来实现各种视觉效果。本教程将详细介绍如何编写一个基于片元半兰伯特着色器，使物体的颜色根据光照和法线方向的变化而变化。

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一、片元半兰伯特着色器是什么？

1. 片元漫反射着色器的工作原理

片元半兰伯特着色器是一种用于在计算机图形学中模拟物体光照效果的着色器技术。它基于半兰伯特（Half Lambert）模型，用于计算物体在光照条件下的漫反射光照强度。与标准的兰伯特模型相比，片元半兰伯特着色器采用了一种简化的方法来计算漫反射光的强度，使得物体在光照变化时表现出更加柔和的过渡效果。

2. 片元半兰伯特着色器的优缺点

优点：

计算简单：片元半兰伯特着色器采用了简化的半兰伯特模型，计算相对较简单，不需要复杂的数学运算，因此性能开销较小。

柔和的光照过渡：由于采用了半兰伯特模型，产生的光照效果更加柔和，物体在光照变化时表现出更加自然的明暗过渡效果。

适用性广泛：片元半兰伯特着色器适用于对光照效果要求不是特别高的场景，能够在性能受限的情况下实现基本的光照效果。

性能开销较小：简化的计算模型使得片元半兰伯特着色器的性能开销相对较小，适用于需要在性能受限情况下实现光照效果的场景。

缺点：

缺乏真实感：片元半兰伯特着色器采用了简化的模型，可能无法准确地模拟真实世界中复杂的光照效果，导致生成的图像缺乏真实感。

不适用于高要求场景：由于是基于简化的模型，片元半兰伯特着色器在需要较高光照效果真实感的场景下可能表现不佳，无法满足高要求的视觉效果。

局限性：半兰伯特模型适用于特定类型的材质和光照条件，对于一些特殊情况可能无法准确表现，导致着色效果不理想。

有限的光照控制：片元半兰伯特着色器对于光照效果的控制有限，无法实现一些复杂的光照效果，如阴影和反射等。

3. 公式

二、使用步骤

1. Shader 属性定义

Properties
{
    _Diffuse("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1) // 漫反射颜色属性，默认白色
}

这段代码定义了 Shader 的属性。在本例中，我们只有一个属性 _Diffuse，表示物体的基本颜色，使用 RGBA 形式表示。默认为白色。

2. SubShader 设置

SubShader
{
    Tags
    {
        "RenderType" = "Opaque" // 渲染类型为不透明
    }
    
    LOD 100 // 细节级别
}

SubShader 定义了一组渲染设置，包括标签和细节级别。在这里，我们将渲染类型标签设置为 “Opaque”，表示物体是不透明的。

3. 渲染 Pass

Pass
{
    CGPROGRAM
    #pragma vertex vert
    #pragma fragment frag

    #include "UnityCG.cginc"
    #include "Lighting.cginc"
}

这里开始了渲染 Pass 部分。在这里，我们使用了 CGPROGRAM 指令来声明顶点着色器和片元着色器函数。#pragma vertex vert 和 #pragma fragment frag 分别指定了顶点着色器函数和片元着色器函数的名称。

然后，我们包含了 UnityCG.cginc 和 Lighting.cginc，它们提供了许多有用的函数和宏，用于简化编写 Shader。

4. 定义结构体和顶点着色器函数

struct v2f
{
    float4 vertex : SV_POSITION; // 顶点位置
    fixed3 worldNormal : TEXCOORD0; // 颜色
};

v2f vert(appdata_base v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点位置变换到裁剪空间
    fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 世界空间法线
    o.worldNormal = worldNormal;

    return o;
}

这里定义了结构体 v2f，用于从顶点着色器向片元着色器传递数据。在顶点着色器函数中，我们将顶点位置转换到裁剪空间，并计算世界空间的法线向量。

5. 片元着色器函数

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
    fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; //获取环境光
    fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); //获取光源位置
	//* 0.5 + 0.5半兰伯特模型
	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * (dot(worldLightDir, i.worldNormal) * 0.5 + 0.5);
    fixed3 color = diffuse + ambient; // 最终颜色
    return fixed4(color, 1); // 输出颜色
}

片元着色器函数计算最终的颜色。首先，我们获取环境光和光源位置。然后，计算漫反射光照，并将环境光和漫反射光照相加得到最终颜色。

三、效果

左:顶点漫反射 中:片元漫反射 右:片元半兰伯特

四、总结

片元漫反射、顶点漫反射和片元半兰伯特着色器是用于模拟物体在光照条件下的重要技术，它们各自有着不同的特点和适用场景。

片元漫反射：在每个像素上计算的漫反射光照效果。它提供了更精细的光照效果，因为考虑了每个像素的光照情况。适用于需要高度真实感和精细光照效果的场景，例如逼真的游戏场景、影视特效等。

顶点漫反射：在顶点级别计算的漫反射光照效果。计算量较小，适用于对性能要求较高或需要大量物体渲染的场景。可以在渲染管线的早期阶段就进行计算，节省计算资源。

片元半兰伯特着色器：常用于实现逼真的漫反射效果，考虑了光线入射角和表面法线之间的关系，符合半兰伯特定律。能够为渲染场景增加一定的真实感，特别是在模拟粗糙表面时效果较好。
然而，片元半兰伯特着色器也有局限性，它仅考虑了漫反射光照，未考虑其他光照效果，如镜面反射、环境光照等。在某些场景中，特别是需要更复杂光照效果以增强真实感时，仅使用片元半兰伯特着色器可能会导致渲染结果缺乏真实感。
因此，为了实现高度逼真的渲染效果，通常需要综合考虑多种光照技术，并根据场景需求选择和调整。片元半兰伯特着色器在模拟物体表面的漫反射方面表现良好，但在其他方面可能需要配合其他技术以获得更好效果。