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) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200
        
        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(0, 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(0,1)) = 0.2
        _SnowColor("Snow Color", Color) =  (1,1,1,1)
        _SnowDirection("Snow Direction", Vector) = (0,1,0)
        //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 300

        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(1, -1, _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(0,1)) = 0.2
        _SnowColor("Snow Color", Color) =  (1,1,1,1)
        _SnowDirection("Snow Direction", Vector) = (0,1,0)
        //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(0,0.3))=0.1
            //改动1
    }
        SubShader{
        Tags{ "RenderType" = "Opaque" }
        LOD 300

        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(1, -1, _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(1, -1, (_Snow * 2) / 3)) {
                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