Unity3d Shader篇（四）— Phong顶点高光反射着色器

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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Phong顶点高光反射着色器，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、Phong顶点高光反射着色器是什么？

1. Phong顶点高光反射着色器的工作原理

Phong 顶点高光反射着色器是一种基于 Phong 光照模型的着色器，它可以模拟物体表面的漫反射、环境光和高光效果。Phong 光照模型是一种经验性的局部光照模型，它描述了物体表面反射光的方式，是一种常用的光照模拟方法。

Phong 顶点高光反射着色器的主要特点是，它在顶点着色器中计算光照颜色，然后在片段着色器中插值输出颜色。这样做的好处是，可以减少片段着色器的计算量，提高性能。但是，这样做的缺点是，会导致光照效果不够精细，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，会出现明显的锯齿或者平面化的现象

2. Phong顶点高光反射着色器的优缺点

优点

它可以模拟物体表面的漫反射、环境光和高光效果，使物体看起来更加真实和立体。
它在顶点着色器中计算光照颜色，减少了片段着色器的计算量，提高了性能和效率。
它是一种基础的着色器，易于理解和实现，适合学习和入门。

缺点

它会导致光照效果不够精细，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，会出现明显的锯齿或者平面化的现象。
它不能处理复杂的光照情况，例如多光源、阴影、透明度、反射、折射等，需要使用更高级的着色器来实现。

二、使用步骤

1. Shader 属性定义

// 定义属性
Properties
{
    _Diffuse("Diffuse",Color)=(1,1,1,1) // 漫反射颜色属性，默认白色
    _Specular("Specular",Color)=(1,1,1,1) // 高光颜色性，默认白色
    _Gloss("Gloss",Range(1,256))=5// 高光反射系数
}

这段代码定义了Shader的属性，其中：
_Diffuse: 表示漫反射颜色属性，使用RGBA格式表示颜色，默认为白色 (1, 1, 1, 1)。
_Specular: 表示高光颜色属性，同样使用RGBA格式表示颜色，默认为白色 (1, 1, 1, 1)。
_Gloss: 表示高光反射系数属性，使用Range声明范围为1到256，默认值为5。

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

// 定义结构体：从顶点到片段的数据传递
struct v2f
{
    float4 vertex:SV_POSITION; // 顶点位置
    fixed3 color:COLOR; // 颜色
};

// 顶点着色器函数
v2f vert(appdata_base v)
{
    v2f o;
    o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); // 顶点位置变换到裁剪空间

    //unity_ObjectToWorld 是一个变换矩阵，用于将顶点从对象空间变换到世界空间。
    //v.vertex 是顶点的位置信息。
    //mul() 函数表示矩阵相乘操作，这里将对象空间中的顶点位置矩阵与对象到世界的变换矩阵相乘，得到世界空间中的顶点位置。
    fixed3 worldPos=mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex);
    
    fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; //获取环境光
    fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal); // 世界空间法线
    //漫反射计算
    //光源位置
    //fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); 
    //光源位置简化
    fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(worldPos)); 
    fixed3 diffuse = _LightColor0 * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir)); // 漫反射颜色计算


    //高光反射计算
    // 计算反射方向
    fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
    // 计算视线方向
    //fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - UnityObjectToWorldDir(v.vertex));
    //计算视线方向简化版本
    fixed3 viewDir=normalize(UnityWorldSpaceViewDir(worldPos));
    
    // 计算高光颜色
    fixed3 specular = _LightColor0 * _Specular * pow(max(0, dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

    o.color = diffuse + ambient + specular; // 输出颜色
    return o;
}

顶点着色器的输入是一个结构体 appdata_base ，它包含了顶点的位置和法线信息。顶点着色器的输出是一个结构体 v2f ，它包含了顶点的裁剪空间位置和光照颜色信息。

顶点着色器的主要逻辑是：

1. 使用 UnityObjectToClipPos 函数，将顶点的位置从对象空间变换到裁剪空间，这是渲染管线的必要步骤。
2. 使用 unity_ObjectToWorld 矩阵，将顶点的位置从对象空间变换到世界空间，这是为了计算光照效果所需的坐标系。
3. 使用 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 宏，获取环境光的颜色，这是 Phong 光照模型的第一个分量。
4. 使用 UnityObjectToWorldNormal 函数，将顶点的法线从对象空间变换到世界空间，这是为了计算光照效果所需的方向向量。
5. 使用 UnityWorldSpaceLightDir 函数，获取光源的方向向量，这是为了计算漫反射和高光效果所需的角度。
6. 使用 _LightColor0 和 _Diffuse 变量，获取光源的颜色和物体的漫反射颜色，然后使用 max 和 dot 函数，计算光源和法线的夹角的余弦值，这是 Phong 光照模型的第二个分量。
7. 使用 reflect 函数，计算光源的反射方向向量，这是为了计算高光效果所需的角度。
   然后，使用 UnityWorldSpaceViewDir 函数，获取视线的方向向量，这是为了计算高光效果所需的角度。
8. 使用 _LightColor0 和 _Specular 变量，获取光源的颜色和物体的高光颜色，然后使用 max 和 dot 函数，计算反射方向和视线方向的夹角的余弦值，然后使用 pow 函数，计算高光的强度，这是 Phong 光照模型的第三个分量。
9. 将环境光、漫反射和高光的颜色相加，得到最终的光照颜色，作为顶点着色器的输出。

5. 片元着色器函数

// 片段着色器函数
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{
    return fixed4(i.color, 1); // 输出颜色
}

片段着色器的输入是一个结构体 v2f ，它包含了顶点的裁剪空间位置和光照颜色信息。片段着色器的输出是一个 fixed4 类型的颜色值，它表示了片段的颜色。

片段着色器的主要逻辑是：

1. 使用 fixed4 构造函数，将光照颜色转换为颜色值，同时设置透明度为 1 。
2. 直接返回颜色值，作为片段着色器的输出。

三、效果

左:普通材质 右:Phong顶点高光反射着色器(_Diffuse设置成了红色)

四、总结

Phong 顶点高光反射着色器是一种基于 Phong 光照模型的着色器，它可以模拟物体表面的漫反射、环境光和高光效果。它的主要特点是，在顶点着色器中计算光照颜色，然后在片段着色器中插值输出颜色。这样做的好处是，可以减少片段着色器的计算量，提高性能。但是，这样做的缺点是，会导致光照效果不够精细，尤其是在物体表面有弯曲或者高光区域时，会出现明显的锯齿或者平面化的现象。Phong 顶点高光反射着色器的应用场景主要是，当需要模拟物体表面的光照效果，但又不需要太高的精度和细节时，可以使用这种着色器。Phong 顶点高光反射着色器也可以作为一种基础的着色器，用于学习和理解 Phong 光照模型的原理和实现，以及顶点着色器和片段着色器的区别和作用。