【Unity Shader】三、漫反射Diffuse Shader例子

学习目标：

• 漫反射Diffuse Shader，逐顶点计算和逐像素计算。
• 半兰伯特（HalfLambert）光照模型。
• 结合材质自身的色彩（Material Color）及环境光（Ambient）。

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漫反射计算公式：

漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩

其中max(0, cos(光源方向和法线方向夹角))部分可以改用半兰伯特光照模型以增强背光面的光照效果。

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逐顶点漫反射

Shader "Custom/04-Diffuse Vertex" { // 逐顶点漫反射
    Properties{
        _Diffuse("Diffuse Color", Color) = (,,,) // 可在编辑器面板定义材质自身色彩
    }
    SubShader{
        Pass {

            // 只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量
            Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}

            CGPROGRAM

// 包含unity的内置的文件，才可以使用Unity内置的一些变量
#include "Lighting.cginc" // 取得第一个直射光的颜色_LightColor0 第一个直射光的位置_WorldSpaceLightPos0（即方向）
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

            fixed4 _Diffuse; // 使用属性

            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;    // 告诉Unity把模型空间下的顶点坐标填充给vertex属性
                float3 normal : NORMAL;      // 告诉Unity把模型空间下的法线方向填充给normal属性
                float4 texcoord : TEXCOORD0; // 告诉Unity把第一套纹理坐标填充给texcoord属性
                // POSITON、NORMAL、TEXCOORD0都是Unity内置的变量
            };

            struct v2f
            {
                float4 position : SV_POSITION; // 声明用来存储顶点在裁剪空间下的坐标
                float3 color : COLOR; // 用于传递计算出来的漫反射颜色
　　　　　　　　　// SV_POSITION、COLOR都是Unity内置的变量
            };

            // 计算顶点坐标从模型坐标系转换到裁剪面坐标系
            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f f;
                f.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); // UNITY_MATRIX_MVP是内置矩阵。该步骤用来把一个坐标从模型空间转换到剪裁空间
                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;

                // 法线方向。把法线方向从模型空间转换到世界空间
                fixed normalDir = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); // 反过来相乘就是从模型到世界，否则是从世界到模型
                // 光照方向
                fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说，光的位置就是光的方向，因为光是平行光
                // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩
                fixed3 diffuse = _LightColor0 * max(, dot(normalDir, lightDir)) * _Diffuse; // 融合材质自身色彩用乘法
                // 加上环境光
                f.color = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法（通常亮度会增加）

                return f;
            }

            // 计算每个像素点的颜色值
            fixed4 frag(v2f f) : SV_Target
            {
                return fixed4(f.color, ); // f.color是float3已经包含了三个数值
            }

            ENDCG
        }

    }
    FallBack "Diffuse"
}

如果去掉自定义的_Diffuse（材质自身色彩）属性和环境光（Ambient），漫反射颜色值将仅由光源颜色来决定。白色光源的显示效果如下：

现在想要融合材质自身的颜色值来显示，编辑器面板选择一个材质自身的色彩，显示效果如下：

最后再加上环境光（UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT），能看到变白变亮了，效果如下：

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逐像素漫反射

Shader "Custom/05-Diffuse Fragment" { // 逐像素漫反射
    Properties{
        _Diffuse("Diffuse Color", Color) = (,,,) // 可在编辑器面板定义材质自身色彩
    }
    SubShader{
        Pass {

            // 只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量
            Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}

            CGPROGRAM

// 包含unity的内置的文件，才可以使用Unity内置的一些变量
#include "Lighting.cginc" // 取得第一个直射光的颜色_LightColor0 第一个直射光的位置_WorldSpaceLightPos0（即方向）
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag

            fixed4 _Diffuse; // 使用属性

            struct a2v
            {
                float4 vertex : POSITION;    // 告诉Unity把模型空间下的顶点坐标填充给vertex属性
                float3 normal : NORMAL;        // 告诉Unity把模型空间下的法线方向填充给normal属性
                float4 texcoord : TEXCOORD0;// 告诉Unity把第一套纹理坐标填充给texcoord属性
            };

            struct v2f
            {
                float4 position : SV_POSITION; // 声明用来存储顶点在裁剪空间下的坐标
                float3 worldNomalDir : COLOR;  // 用于存储世界空间下的法线方向
            };

            // 计算顶点坐标从模型坐标系转换到裁剪面坐标系
            v2f vert(a2v v)
            {
                v2f f;
                f.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); // UNITY_MATRIX_MVP是内置矩阵。该步骤用来把一个坐标从模型空间转换到剪裁空间

                // 法线方向。把法线方向从模型空间转换到世界空间
                f.worldNomalDir = (mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); // 反过来相乘就是从模型到世界，否则是从世界到模型

                return f;
            }

            // 计算每个像素点的颜色值
            fixed4 frag(v2f f) : SV_Target
            {
                // 环境光
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
                // 法线方向。
                fixed normalDir = normalize(f.worldNomalDir); // 单位向量
                // 光照方向。
                fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说，光的位置就是光的方向，因为光是平行光
                // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩
                fixed3 diffuse = _LightColor0 * max(, dot(normalDir, lightDir)) * _Diffuse; // 颜色融合用乘法
                // 加上环境光
                fixed3 tempColor = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法（亮度通常会增加）

                return fixed4(tempColor, ); // tempColor是float3已经包含了三个数值
            }

            ENDCG
        }

    }
    FallBack "Diffuse"
}

如下图，左边逐像素计算，右边逐顶点计算，在观察背光面阴影边缘时能看出明显差别，逐顶点计算的阴影过度呈块状的。

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半兰伯特（HalfLambert）光照模型

• http://www.cnblogs.com/2Yous/p/4206959.htm

直接修改上面frag函数中漫反射Diffuse颜色的计算公式。

// 计算每个像素点的颜色值
fixed4 frag(v2f f) : SV_Target
{
    // 环境光
    fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
    // 法线方向。
    fixed normalDir = normalize(f.worldNomalDir); // 单位向量
    // 光照方向。
    fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说，光的位置就是光的方向，因为光是平行光
    // 半兰伯特光照
    float3 halfLambert = dot(normalDir, lightDir) * 0.5 + 0.5; // 使得背光面不至于为0全黑
    // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩
    fixed3 diffuse = _LightColor0 * halfLambert * _Diffuse; // 颜色融合用乘法
    // 加上环境光
    fixed3 tempColor = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法（亮度通常会增加）

     return fixed4(tempColor, ); // tempColor是float3已经包含了三个数值
 }

可以看到在背光面也有了少量光照，明显没有旁边的对照组那么黑。

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注意点：

• 颜色融合是相乘，颜色叠加是相加（通常亮度会增加）。
• 逐像素计算光照要比逐顶点计算光照更加消耗性能。

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学习资料：

• http://www.sikiedu.com/course/37/task/441/show#