【Unity Shader】基础光照

继续学习《Unity Shader 入门精要》。渲染的流程前部分是坐标变换，变换顺序是： 模型空间（Model Space）-->世界空间（World Space）-->观察空间（View Space）-->裁剪空间-->屏幕空间，具体的矩阵变换可以方便的使用内置矩阵：

UNITY_MATRIX_MVP        当前模型视图投影矩阵
UNITY_MATRIX_MV           当前模型视图矩阵
UNITY_MATRIX_V              当前视图矩阵。
UNITY_MATRIX_P              目前的投影矩阵
UNITY_MATRIX_VP            当前视图*投影矩阵
UNITY_MATRIX_T_MV       移调模型视图矩阵
UNITY_MATRIX_IT_MV      模型视图矩阵的逆转
UNITY_MATRIX_TEXTURE0   UNITY_MATRIX_TEXTURE3          纹理变换矩阵

记住变换顺序很有必要，并且，如果两个矩阵要做 mul 运算的时候，必须在同一坐标空间下。

正式的：

一 漫反射光照模型：

// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'

Shader "Mine/6_DiffuseVertexLevel" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1)
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //只有定义了正确的 LightMode 才能得到要用的 _LightColor0 ...

CGPROGRAM

#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

#include "Lighting.cginc" //得到要使用的 _LightColor0 等内置变量

fixed4 _Diffuse;

struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};

struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR; // or TEXCOORD0
};

v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); // must ,get projection space

fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; //get ambient
// 把法线从模型空间转换到世界空间，用的右乘当逆矩阵
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz );//只适用于平行光
//漫反射 ＝ 入射光 ＊ 漫反射系数 ＊ max（0，dot（法线，光源方向））
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));
//如果是半lambert，则公式为
//漫反射 ＝ 入射光 ＊ 漫反射系数 ＊ （缩放倍数＊dot（法线，光源方向） ＋ 偏移）
//一般缩放倍数和便宜都取0.5
//fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * (0.5*dot(worldNormal,worldLight)+0.5);

o.color = ambient + diffuse;
return o;
}

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
return (i.color, 1.0);
}

ENDCG
}
}
Fallback "Diffuse"
}

如果要改为逐像素光照，需要改变 struct v2f，

<span style="white-space:pre">			</span>struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 worldNormal : TEXCOORD0
};

剩下的工作就是把 vert函数中的部分挪到 frag函数中。

另，代码中的半Lambert光照模型是为了解决在实际中，普通漫反射在光照不到的情况下是暗黑色的问题。

二 高光反射光照模型

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'

Shader "Custom/6_SpecularVertexLevel" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
_Specular ("Specular", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }

CGPROGRAM

#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

#include "Lighting.cginc"

fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;

struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};

struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed color : COLOR;
};

v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); //用unity内置函数是： ＝ UnityObjectToWorldNormal(v.normal)
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
//漫反射 ＝ 入射光 ＊ 漫反射系数 ＊ max（0，dot（入射方向，法线））
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));

//reflect 计算反射方向,两个参数是 入射方向、法线，但是要求入射方向是光源指向入射点，故取反
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
//计算视觉方向首先是要求处于同一空间下，然后向量计算
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);
//高光反射 ＝ 入射光 ＊ 高光系数 ＊ pow（max（0，反射方向 ＊ 视觉方向），光泽度）
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

//如果是 BlinnPhong 则把反射方向换成 光线方向和视觉方向和
//fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
//fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(worldNormal,halfDir)), _Gloss);

o.color = ambient + diffuse + specular;
return o;
}

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
return (i.color, 1.0);
}

ENDCG
}
}
Fallback "Specular"
}

如果改为逐像素光照需改动 struct v2f

struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed worldNormal: TEXCOORD0;
fixed worldPos: TEXCOORD1;
};

然后换上相应的即可。
代码中给出了用的最多的BlinnPhong模型，目前用的最多。

逐顶点光照和逐像素的区别在于计算的相对少和多，得到效果肯定计算多的逐像素更加显得平滑。