BRDF（基本光照模型）

基本光照模型一共有四种。分别为环境光，自发光，漫反射，高光反射，我们先来实现漫反射

实现漫反射

光线强度的计算

在开始实现漫反射之前，我们需要了解一个概念：辐射度

下图使用兰伯特模型进行漫反射光计算（并且只进行了漫反射光计算），正面对着光线方向的部分最亮，然后逐渐变淡，

兰伯特模型
反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比
（也就是使用我们刚刚的“辐射度”作为漫反射光的强度）

好现在开始写Shader

我们按书里的流程写一个顶点/片元着色器来实现漫反射

新建Shader

首先新建一个Unity Shader，把原有代码全部删除，然后给shader起个名字

Shader "Diffuse-Lambert" {}

添加一个Properties语义块

为Shader添加一个Properties 语义块，声明我们需要的属性。

Properties 语义块是材质和Unity Shader的桥梁，它包含了一系列属性，这些属性会出现在检查器窗口的材质面板中。【candycat】

Shader "Diffuse-Lambert" {Properties {//_Color 为属性标识符，我们会在稍后的Shader编写中使用这个名字//"Color Tint" 为在检查器窗口中显示的属性名称//Color 为属性的类型//等号右边的是属性的默认值，在这里四个1代表为“白色”_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色}
}

此时在Unity中随意新建一个材质，并把我们的Diffuse-Lambert着色器拖到材质上，就可以在检查器面板看到我们刚刚声明的属性了

添加SubShader和Pass。

每一个Unity Shader可以定义多个SubShader，但最少要有一个。当Unity需要加载这个UnityShader时，Unity会扫描所有的SubShader语义块，并选出当前显卡能够支持的第一个SubShader运行。【candycat】

Shader "RefShader" {//属性Properties {}//显卡A使用的子着色器SubShader {}//显卡B使用的子着色器SubShader {}
}

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色}SubShader {//如果支持的话，当前显卡会使用这个子着色器//不支持就靠 Fallback了}}

SubShader中定义了一系列Pass以及可选的状态和标签，每个Pass定义了一次完整的渲染流程，所以我们应该尽量使用最小数目的Pass。

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色}SubShader {Pass {//在这里会进行一次完整的渲染}}}

在Pass中，我们设置标签LightMode为ForwardBase（向前渲染），这是为了Unity能够按向前渲染路径的方式为我们正确提供各个光照变量

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色}SubShader {Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //向前渲染}}}

使用CG/HLSL语言来编写顶点/片元着色器

我们使用 CGPROGRAM作为CG/HLSL语言的开始符，而ENDCG是结束符。
在CG开始后，我们先来申明vert函数（顶点着色器，逐顶点渲染）和frag函数（片元着色器，逐片元渲染）

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色}SubShader {Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //向前渲染CGPROGRAM //CG开始#pragma vertex vert#pragma fragment frag//app to vert，顶点着色器的输入类型，获取当前顶点的信息（由程序给出的）struct a2v {};//vert to frag，片元着色器的输入类型，获取当前片元的信息（由顶点着色器输出的数据再插值得到的）struct v2f {};//顶点着色器，逐顶点运行，输入a2v是当前顶点的信息，输出v2f给片元着色器v2f vert(a2v v) {}//片元着色器，逐片元运行，输入v2f是当前片元的信息，输出颜色fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {}ENDCG //CG结束}}}

这个流水线大约是这样子的：

定义a2v和v2f结构体

现在我们的a2v还没有任何字段，也就是说我们的顶点着色器（vert）什么输入都没有，让我们使用语义来给它增加一些数据。

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色}SubShader {Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //向前渲染CGPROGRAM //CG开始#pragma vertex vert#pragma fragment fragstruct a2v {//POSITION语义告诉Unity，用模型空间中当前顶点的坐标填充vertex变量float4 vertex : POSITION; //NORMAL语义告诉Unity，用模型空间中当前顶点法的线方向填充normal变量float3 normal : NORMAL;};struct v2f {};v2f vert(a2v v) {}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {}ENDCG //CG结束}}
}

接着给我们的v2f定义结构体，以确保我们在稍后的片元着色器中能够有足够的数据进行运算

我们回顾一下兰伯特模型：
反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比

也就是说，只要得到了片元的表面法线和光源方向，我们就能得到该片元漫反射光线的强度。

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) //漫反射底色}SubShader {Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" } //向前渲染CGPROGRAM //CG开始#pragma vertex vert#pragma fragment fragstruct a2v {float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL;};struct v2f {//SV_POSITION语义告诉Unity，pos里包含了顶点在裁剪空间中的位置信息//这也是顶点着色器最重要的一个工作：将顶点坐标从模型空间转换到裁剪空间float4 pos : SV_POSITION;//TEXCOORD0语义表示worldNormal变量占用了TEXCOORD0插值寄存器//每个插值寄存器可以存储4个浮点值（float）float3 worldNormal : TEXCOORD0; //世界空间下的顶点法线向量float3 worldLightDir : TEXCOORD1; //世界空间下的光源位置};v2f vert(a2v v) {}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {}ENDCG //CG结束}}
}

包含头文件以及声明属性变量

在正式开始计算之前，为了使用一些Unity内置的变量和函数，我们需要包含进内置文件 "UnityCG.cginc"

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) }SubShader {Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc" //包含内置文件"UnityCG.cginc"struct a2v {float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD0;float3 worldLightDir : TEXCOORD1;};v2f vert(a2v v) {}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {}ENDCG}}
}

而为了可以使用我们在Properties 语义块中定义的属性（那个_Color），我们需要在CG中对属性进行申明

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1) }SubShader {Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc" fixed4 _Color; //这里的变量名需要和属性的名字完全一致struct a2v {float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL;};struct v2f {float4 pos : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD0;float3 worldLightDir : TEXCOORD1;};v2f vert(a2v v) {}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {}ENDCG}}
}

编写顶点着色器

好了，开始写我们的顶点着色器（vert函数）。首先申明一个v2f类型的变量，对结构体中的字段依次赋值，最后将其返回。

v2f vert(a2v v) {//申明返回值v2fv2f o;//这是顶点着色器最重要的一个任务，将顶点坐标从模型空间转换到裁剪空间//UnityObjectToClipPos函数接受一个模型空间的坐标，返回该坐标在裁剪空间的坐标o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);//UnityObjectToWorldNormal函数接受一个模型空间的法线向量，将其转换到世界空间中并返回o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);//WorldSpaceLightDir函数接受一个模型空间中的顶点位置，并返回世界空间中从该点到光源的光照方向。未被归一化。（由于是平行光，任何点的光照方向都是一样的，参数填fixed(0)都可以）o.worldLightDir = WorldSpaceLightDir(v.vertex);return o;
}

经过顶点着色器的处理，我们的每个片元中已经包含我们需要的两个信息：法线向量和光源方向。现在，让我们在片元着色器中为每个片元计算他们的光线强度

编写片元着色器

将法线向量和光源方向归一化（转为长度为1的单位向量）

由于我们稍后要用点积来求得两向量夹角的cos值，而点积的公式是a·b=|a||b|cosθ（θ为a和b的夹角），很明显，只有当a和b均为单位向量时，点积的结果才会是我们要的两向量的cos值。

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{//使用normalize()函数对向量进行归一化fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);
}

计算光线强度并返回颜色

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);//saturate()函数可以将值截取到[0,1]，而dot()函数用于计算两向量间的点积//计算出光线强度后，和我们的_Color属性相乘，就能实现一个亮度更改了fixed3 diffuse = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)) * _Color;//返回计算完成的颜色return fixed4(diffuse, 1.0);
}

增加对灯光颜色的考虑

刚刚的计算我们实际上忽略了灯光的颜色，现在我们获取灯光颜色并加入计算。

包含头文件

为了获取灯光颜色，我们需要先在CG中包含头文件 "Lighting.cginc"

Shader "Diffuse-Lambert"{Properties{_Color("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)}SubShader {Pass {Tags { "LightMode"="ForwardBase" }CGPROGRAM#pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "Lighting.cginc"    //额外包含一个"Lighting.cginc"#include "UnityCG.cginc"fixed4 _Color;struct a2v {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct v2f{float4 pos : SV_POSITION;float3 worldNormal : TEXCOORD0;float3 worldLightDir : TEXCOORD1;};v2f vert(a2v v){v2f o;o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);o.worldLightDir = WorldSpaceLightDir(v.vertex);return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);fixed3 diffuse = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)) * _Color;return fixed4(diffuse, 1.0);}ENDCG}}
}

修改片元着色器

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);//直接乘上灯光颜色 _LightColor0fixed3 diffuse = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)) * _Color * _LightColor0;return fixed4(diffuse, 1.0);
}

另一种实现，半兰伯特模型

在兰伯特模型中，光照无法到达的区域，模型的外观通常是全黑的，没有任何明暗变化，这会使模型的背光区域看起来就像一个平面一样，失去了模型细节表现。【candycat】
Valve公司在开发《半条命》时提出了一个新技术，被称为半兰伯特光照模型。在半兰伯特模型中，我们不将片元上法线向量和光源方向的cos值截取到[0, 1]，而是为这个cos值乘上α倍的缩放然后加上一个β大小的位移，通常，α和β都是0.5。也就是说，半兰伯特模型将法线向量和光源方向的cos值从[-1, 1]映射到了[0, 1]。

修改片元着色器

fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
{fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);fixed3 worldLightDir = normalize(i.worldLightDir);//兰伯特模型//fixed3 diffuse = saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)) * _Color * _LightColor0;//半兰伯特模型fixed3 diffuse = (dot(worldNormal, worldLightDir) * 0.5 + 0.5) * _Color* _LightColor0;return fixed4(diffuse, 1.0);
}

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