shader篇-漫反射
shader篇-漫反射
- shader篇-漫反射
- 背景
- 逐顶点光照
- 逐像素光照
- 半兰伯特光照模型
之前只是草草看了书，隔了一两个月回头看，很多都忘了，学习方法不对啊，希望利用写博客加深对知识的理解吧。
背景
渲染包含两大部分：像素可见性和光照计算。
今天就是介绍如何利用shader仿真现实世界中的漫反射。
漫反射计算公式如下
C_{diffuse}=(C_{light}*M_{diffuse})*max(0,\vec{n}*\vec{l})
计算漫反射需要四个参数，入射光颜色，强度
C_{light},材质反射系数
M_{diffuse}，表面法线n和光源方向l
逐顶点光照
Shader "Test Shader/VertexLevel"{
Properties
{_Diffuse ("DiffuseName",Color)=(1,1,1,1)
}
SubShader
{Pass{Tags{"LightMode"="ForwardBase"}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"fixed4 _Diffuse;struct a2v{//模型空间的顶点坐标float4 vertex:POSITION;//模型空间的法线方向float3 normal:NORMAL;};struct v2f{//输出的是裁剪空间的顶点坐标float4 pos:SV_POSITION;float3 color:COLOR;};v2f vert(a2v v){v2f o;//利用unity内置的模型-观察-投影矩阵将顶点坐标转换到裁剪空间o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//通过内置变量获取环境光fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;//法线转换到世界坐标//unity_WorldToObject为模型空间到世界空间的变换矩阵的逆矩阵fixed3 worldNormal=normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject));//获取光源方向fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//利用漫反射光照公式计算漫反射fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*max(0,dot(worldNormal,worldLight));//漫反射和环境光相加得到最终的光照结构o.color=ambient+diffuse;return o;}fixed4 frag(v2f i):SV_Target{return fixed4(i.color,1.0);}ENDCG}
}
FallBack "DiffuseFallBack"
把这个shader文件添加给某个材质，再把该材质添加到角色中，就能得到简单的漫反射效果
不过这样的漫反射会出现一些视觉问题，背光面和光面交界处有锯齿
逐像素光照
Shader "Test Shader/DiffusePixelLevel"{
Properties
{_Diffuse ("DiffuseName",Color)=(1,1,1,1)
}
SubShader
{Pass{Tags{"LightMode"="ForwardBase"}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"fixed4 _Diffuse;struct a2v{//模型空间的顶点坐标float4 vertex:POSITION;//模型空间的法线方向float3 normal:NORMAL;};struct v2f{//输出的是裁剪空间的顶点坐标float4 pos:SV_POSITION;float3 worldNormal:TEXCOORD0 ;};v2f vert(a2v v){v2f o;//利用unity内置的模型-观察-投影矩阵将顶点坐标转换到裁剪空间o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//法线转换到世界坐标//unity_WorldToObject为模型空间到世界空间的变换矩阵的逆矩阵o.worldNormal=mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject);return o;}fixed4 frag(v2f i):SV_Target{//通过内置变量获取环境光fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;fixed3 worldNormal=normalize(i.worldNormal);//获取光源方向fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//利用漫反射光照公式计算漫反射//saturate(x)和max（0，x）能达到同样的效果，他的作用是把x截取到[0,1]范围内fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*saturate(dot(worldNormal,worldLight));fixed3 color=ambient+diffuse;return fixed4(color,1.0);}ENDCG}
}
FallBack "DiffuseFallBack"}
把计算挪到片元着色器中完成了逐像素光照，逐像素光照更平滑
不过这2种着色效果造成模型外观呈黑，
我们用半兰伯特光照模型解决这一问题
半兰伯特光照模型
C_{diffuse}=(C_{light}*M_{diffuse})*（\alpha*(\vec{n}*\vec{l}）+\beta)
这里并没有使用max操作防止n，l点积为负值，而是对结果进行了一个a倍的缩放加上一个B大小的偏移，大多数情况下，a和b值为0.5
C_{diffuse}=(C_{light}*M_{diffuse})*（0.5*(\vec{n}*\vec{l}）+0.5)
Shader "Test Shader/HalfLambert"{
Properties
{_Diffuse ("DiffuseName",Color)=(1,1,1,1)
}
SubShader
{Pass{Tags{"LightMode"="ForwardBase"}CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"#include "Lighting.cginc"fixed4 _Diffuse;struct a2v{//模型空间的顶点坐标float4 vertex:POSITION;//模型空间的法线方向float3 normal:NORMAL;};struct v2f{//输出的是裁剪空间的顶点坐标float4 pos:SV_POSITION;float3 worldNormal:TEXCOORD0 ;};v2f vert(a2v v){v2f o;//利用unity内置的模型-观察-投影矩阵将顶点坐标转换到裁剪空间o.pos=UnityObjectToClipPos(v.vertex);//法线转换到世界坐标//unity_WorldToObject为模型空间到世界空间的变换矩阵的逆矩阵o.worldNormal=mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject);return o;}fixed4 frag(v2f i):SV_Target{//通过内置变量获取环境光fixed3 ambient=UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;fixed3 worldNormal=normalize(i.worldNormal);//获取光源方向fixed3 worldLight=normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);fixed3 halflambert=dot(worldNormal,worldLight)*0.5+0.5;//利用漫反射光照公式计算漫反射fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*halflambert;fixed3 color=ambient+diffuse;return fixed4(color,1.0);}ENDCG}
}
FallBack "DiffuseFallBack"}
我在下面的代码里使用半兰特伯模型取代了原来的半兰特伯模型
fixed3 halflambert=dot(worldNormal,worldLight)*0.5+0.5;//利用漫反射光照公式计算漫反射fixed3 diffuse=_LightColor0.rgb*_Diffuse.rgb*halflambert;fixed3 color=ambient+diffuse;return fixed4(color,1.0);
这是最终的效果，从左到右是逐顶点光照，逐像素光照，半兰特伯模型
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