Unity Shader入门教程（三）自制光照模型

光照模型的概念目前还不明晰，因为笔者也是一个初学者，所以请小心对待笔者介绍的内容。笔者认为光照模型是规定光照算法的模型，比如说前面提到的Lambert光照模型，规定了材质表面的光线的表达式为

环境光+散射光+反射高光+放射光

我们通过一组小实验来说明如何自定义光照模型。

第1.1步：新建一个shader，两个material

其中最后一个是采用了标准的diffuse

MEasyNormalMapping（Material）采用了EasyNormalMapping（shader）。

第1.2步：

▼代码开始

Shader "Custom/EasyNormalMapping" {

    Properties {

        _Color ("Color", Color) = (,,,)

        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}

    }

    SubShader {

        Tags { "RenderType"="Opaque" }

        LOD 

        CGPROGRAM

        #pragma surface surf CustomDiffuse

        //还记得吗？这一句的语法是：#pragma surface 光线处理函数 光照模型

        sampler2D _MainTex;

        struct Input {

            float2 uv_MainTex;

        };

        fixed4 _Color;

        //这个surf非常简单，就是取出了主纹理罢了

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {

            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;

            o.Albedo = c.rgb;

            o.Alpha = c.a;

        }

        /*这里有很多注意事项：

        a：下面的LightingCustomDiffuse是CUstomDiffuse这个光照模型的计算光照的实现。

        b：声明此光照计算实现函数时，名称必须要按照：Lighting<光照模型名称>，此处即LightingCustomDiffuse

        c：光照模型首先经过surf方法得到表面颜色，然后利用LightingCustomDiffuse计算光线，最后呈现在屏幕上

        d：这里采用了一个典型的形参列表：(表面颜色 SurfaceOutput s, 光线的来源方向 fixed3 lightDir, 光衰减的系数 fixed atten)

        请注意 lightDir是指从表面上的研究点到光源的方向，也就是指向光源方向，而不是入射方向（是入射方向的反方向）

        e：返回一个四维的小数，其实是指返回的光线

        （其它的形参列表可以看：http://blog.csdn.net/henger_/article/details/52689080）

        */

        inline float4 LightingCustomDiffuse(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten)

        {

            //都做了些什么呢？首先是表面法向量和光线方向的点乘，此数目越靠近1，散射越明亮（是不是很符合常理！）

            float difLight = max(, dot(s.Normal, lightDir));

            //col表示结果的颜色

            float4 col;

            //这里_LightColor0是由Unity根据场景中的光源得到的光源的光色，具体来由不清楚，简单说就是光源的颜色。

            //这个公式表明：散射光色 = 表面的反射系数 * 光源 * 散射强度 * 衰减系数（有许多博文说这里要乘以2）

            col.rgb = s.Albedo*_LightColor0.rgb*(difLight*atten);

            col.a = s.Alpha;

            return col;

        }

        ENDCG

    }

    FallBack "Diffuse"

}

▲代码结束

第1.3步：我们为两个材料都选上石头的纹理图，最后可以在预览图中看出，它们的效果完全一样。

总结：我们已经自定义了一个光照模型，这个光照模型和标准内置的diffuse模型效果一样，因为我们的实现原理是一样的。

本文参考了猫都能学会的Unity3D Shader入门指南（二）

第二组实验

halfLambert模型：

将上面的代码稍修改一下，得到HalfLambert模型，这是一个在低光线条件下增亮的做法，是将光强系数 * 0.5+0.5的做法，非常简单。

inline float4 LightingCustomDiffuse(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten)

{

float difLight = max(0, dot(s.Normal, lightDir));

float4 col;

//只增加这一行

difLight = difLight * 0.5 + 0.5;

col.rgb = s.Albedo*_LightColor0.rgb*(difLight*atten);

col.a = s.Alpha;

return col;

}

下图中左边应用了HalfLambert模型。

第三组实验：实现积雪效果

第3.1步：新建一个Snow的shader，新建一个名为MSnow的材质。

第3.2步：Snow的代码如下：

▼代码开始

Shader "Custom/Snow" {

    Properties{

        _MainTex("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}

        _Bump("Bump", 2D) = "bump"{}

        _Snow("Snow Level", Range(,)) = 0.2

        _SnowColor("Snow Color", Color) =  (,,,)

        _SnowDirection("Snow Direction", Vector) = (,,)

        //注意U3D中的Y轴是反重力方向的，而不是Z轴。这和UE4不一样。

    }

        SubShader{

        Tags{ "RenderType" = "Opaque" }

        LOD 

        CGPROGRAM

        #pragma surface surf Lambert

        sampler2D _MainTex;

        sampler2D _Bump;

        struct Input {

            float2 uv_MainTex;

            float2 uv_Bump;

            float3 worldNormal; INTERNAL_DATA

                /*什么意思？这表示当前点在世界中的法方向，我们采用;INTERNAL_DATA来标记这个特殊的输入*/

                //更为详细的参考：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaders.html

        };

        float _Snow;

        float4 _SnowColor;

        float4 _SnowDirection;

        void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o) {

            half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);

            o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_Bump, IN.uv_Bump));

            //解释：输入IN表示输入的点（包含一个特殊的输入，就是世界坐标下的法方向）

            //WorldNormalVector(IN, o.Normal)表示IN点以及它的法向量在世界坐标下的向量表达，

            //和雪的方向的点击，和阈值作比较

            //插值函数：lerp(a,b,c)表示(b-a)*c+a

            if ( dot( WorldNormalVector(IN, o.Normal), _SnowDirection.xyz) > lerp(, -, _Snow)) {

                o.Albedo = _SnowColor.rgb;//取雪色

            }

            else {

                o.Albedo = c.rgb;//取原色

            }

            o.Alpha = c.a;

        }

        ENDCG

    }

        FallBack "Diffuse"

}

▲代码结束

第3.3步：注意配上法向量和主纹理。

效果：

第四组实验：本组实验修改了顶点，也就是对模型进行了顶点的修改。此前的操作都是在贴图上进行的，顶点没有发生过改动。本组实验强调修改顶点。

第4.1步：在刚刚的Snow（Shader）代码中稍微修改，如下：

▼代码开始

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

Shader "Custom/Snow" {

    Properties{

        _MainTex("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}

        _Bump("Bump", 2D) = "bump"{}

        _Snow("Snow Level", Range(,)) = 0.2

        _SnowColor("Snow Color", Color) =  (,,,)

        _SnowDirection("Snow Direction", Vector) = (,,)

        //注意U3D中的Y轴是反重力方向的，而不是Z轴。这和UE4不一样。

            _SnowDepth("Snow Depth", Range(,0.3))=0.1

            //改动1

    }

        SubShader{

        Tags{ "RenderType" = "Opaque" }

        LOD 

        CGPROGRAM

        #pragma surface surf Lambert vertex:vert

        //改动2：在末尾添加vertex:Fun表示顶点模型将修改，修改的方法为Fun

        sampler2D _MainTex;

        sampler2D _Bump;

        struct Input {

            float2 uv_MainTex;

            float2 uv_Bump;

            float3 worldNormal; INTERNAL_DATA

                /*什么意思？这表示当前点在世界中的法方向，我们采用;INTERNAL_DATA来标记这个特殊的输入*/

                //更为详细的参考：https://docs.unity3d.com/Manual/SL-SurfaceShaders.html

        };

        float _Snow;

        float4 _SnowColor;

        float4 _SnowDirection;

        float _SnowDepth;

        //改动3

        void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o) {

            half4 c = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex);

            o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_Bump, IN.uv_Bump));

            //解释：输入IN表示输入的点（包含一个特殊的输入，就是世界坐标下的法方向）

            //WorldNormalVector(IN, o.Normal)表示IN点以及它的法向量在世界坐标下的向量表达，

            //和雪的方向的点击，和阈值作比较

            //插值函数：lerp(a,b,c)表示(b-a)*c+a

            if ( dot( WorldNormalVector(IN, o.Normal), _SnowDirection.xyz) > lerp(, -, _Snow)) {

                o.Albedo = _SnowColor.rgb;//取雪色

            }

            else {

                o.Albedo = c.rgb;//取原色

            }

            o.Alpha = c.a;

        }

        //改动4：vert函数处理顶点，对于每一个顶点v，进行如下修改。inout appdata_full v是顶点的固有写法。

        void vert(inout appdata_full v) {

            /*需求：我们希望vert函数将“法方向和雪方向近似相同的所有顶点都抬高一些”

            数学做法：

            1：将雪方向（也就是010）转换到物体坐标系中；

                这是什么意思？就是以物体来看，雪的方向是什么，如果物体是倒置的（脑子朝下的），那么物体看来的雪方向应该是0，-1，0，

                如果物体时脑子靠一侧的，那么物体看的雪的方向将会是水平方向的（它是这样认为的），例如1，0，0，

                如何将世界里的雪方向以物体的视角来看待呢？数学上只需要

                M（world2object的转换矩阵） * 雪的世界方向 = 雪的物体系下的方向

                【语法上】

                1.a：unity_ObjectToWorld是内置的一个矩阵，表示此物体到世界的转换矩阵（也就是UE4中的Transform）

                1.b：transpose（P）表示将P转置

                1.c：mul（P，v）表示矩阵P左乘向量v即Pv

            2：上述得到的物体看待的雪方向记为sn，那么sn和此顶点的法方向的点乘，点乘值越大，表示越是容易积雪的情况

                如果大于阈值，那么顶点的xyz在积雪方向上增加一定的量，此处的积雪方向是指法+雪的方向

            */

            //写法A：

            float4 sn = mul(transpose(unity_ObjectToWorld), _SnowDirection);

            //写法B：sn = _SnowDirection;

            /*写法A是正确的，写法B是错误的，它没有将雪的方向转换为物体看待的描述*/

            if (dot(v.normal, sn.xyz) >= lerp(, -, (_Snow * ) / )) {

                v.vertex.xyz += (sn.xyz + v.normal) * _SnowDepth;

            }

        }

        ENDCG

    }

        FallBack "Diffuse"

}

▲代码结束

效果可以看出：下面的球中，容易积雪的顶点被抬高了许多。

appdata_full拥有如下成员：

struct appdata_full {

float4 vertex : POSITION;

float4 tangent : TANGENT;

float3 normal : NORMAL;

float4 texcoord : TEXCOORD0;

float4 texcoord1 : TEXCOORD1;

float4 texcoord2 : TEXCOORD2;

float4 texcoord3 : TEXCOORD3;

fixed4 color : COLOR;

UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID

};

以上顶点的信息中，前四个分别是：点的位置，点的正切方向（也就是定点的正切空间的指向，正切空间就是表面指向外的方向，也就是物理世界中严格的概念“法线方向”），点的法线方向（规定的法线方向，以正切空间为坐标系），纹理信息，以及最后的Color表示顶点的颜色。

——2017年7月28日16:21:45 小江村儿的文杰 zouwj5@qq.com

巴特西

Unity Shader入门教程（三）自制光照模型

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