Unity | Shader基础知识（第八集：案例＜漫反射材质球＞）

一、本节介绍

1 上集回顾

2 本节介绍

二、什么是漫反射材质球

三、漫反射进化史

1 三种算法结果的区别

2 具体算法

2.1 兰伯特逐顶点算法

a.本小节使用的unity自带结构体。

b.兰伯特逐顶点算法公式

c.代码实现——兰伯特逐顶点算法

2.2 代码实现——兰伯特逐像素算法

a.像素和顶点算法的区别

b.实现代码

2.3 代码实现——半兰伯特算法

a.为什么会出现半兰伯特

b.半兰伯特公式

c.代码实现

四、下集介绍

一、本节介绍

1 上集回顾

本集讲了如何让图片和外部颜色叠加显示。

2 本节介绍

如何做一个漫反射材质球。

二、什么是漫反射材质球

1 之前的颜色材质球

我们目前只学过直接上色的材质球（如图1所示），还有上节课的颜色和图片叠加的材质球。

2 现实的光照下的球

现实光照下的大部分材质球并不是纯色且全亮的，而是（如图2所示）。

这种模拟大部分现实世界物体发光的状态，就是漫反射材质球。

备注：

反射有两种：镜面反射和漫反射。像镜子的反光，非常光滑的物体反光（比如金属），属于镜面反射，其他大部分是漫反射。具体区别详见初中物理~自己百度哦o(*￣︶￣*)o

三、漫反射进化史

我们算到最后，对屏幕来说，仅仅想知道，我这个点应该用什么颜色。

所以，对这个颜色的计算出现了三种解法。

兰伯特逐顶点算法
兰伯特逐像素算法
半兰伯特算法

备注：兰伯特是个人，他和别人一起研究出来了以上三个定律。

1 三种算法结果的区别

兰伯特逐顶点算法（白色和黑色交界处有些方块块的感觉、照不到的地方全黑）

兰伯特逐像素算法（白色和黑色交界处平滑过渡、照不到的地方全黑）

半兰伯特算法（白色和黑色交界处平滑过渡、照不到的地方不是全黑）

内容参考（侵权立删）：

Unity Shader 漫反射（Lambert、Half Lambert） - 知乎

2 具体算法

2.1 兰伯特逐顶点算法

a.本小节使用的unity自带结构体。

struct appdata_full {
    float4 vertex : POSITION;    //顶点坐标
    float4 tangent : TANGENT;    //切线
    float3 normal : NORMAL;      //法线
    float4 texcoord : TEXCOORD0;    //第一纹理坐标
    float4 texcoord1 : TEXCOORD1;//第二纹理坐标
    float4 texcoord2 : TEXCOORD2;//第三纹理坐标
    float4 texcoord3 : TEXCOORD3;//第四纹理坐标
    fixed4 color : COLOR;        //顶点颜色
    UNITY_VERTEX_INPUT_INSTANCE_ID    //ID信息
};

b.兰伯特逐顶点算法公式

公式解释：

屏幕上对应点的颜色 = （光的颜色*物体的颜色）*max（0，该点的法向量*该点的光照方向）

备注（max函数解释）：

max(a,b)，如果这里面a大，答案就是a

如果b大，答案就是b。

例：

max(5,20)=20

max(8,-9)=8

此处的作用：

因为颜色没有负数，如果n*l算出来小于0的时候，就直接为0，其他时候就是n*l的值。

其实就是起一个“一刀切”掉负数的作用。

得出结论：我们想计算漫反射的时候屏幕显示什么颜色，我们需要光的颜色、物体的颜色、该点的法向量（单位向量）、该点的光照方向（单位向量）。

备注：公式里的字母上带^就是单位向量的意思。

c.代码实现——兰伯特逐顶点算法

计算注意事项：

在计算n*l时，注意：该点的法向量（往往直接获取的是物体本地坐标），该点的光照方向（往往获取的是世界坐标）

这样是不能乘的，所以需要把他们都换算到一个坐标系，这里换算到世界坐标下。

会用到的方法：

UnityObjectToWorldNormal()     //把物体的法线坐标，换算到世界坐标下
normalize()                    //把任何一个向量变成单位向量
dot()                          //点乘
max()                          //上文讲过

_WorldSpaceLightPos0           //世界坐标下的光线坐标
                               //但是要引用#include "Lighting.cginc"才能找到

实现的代码：

 SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"
            
            //新的引用
            #include "Lighting.cginc"

            //返回结构体        //引用结构体
            appdata_full vert (appdata_full v)
            {    
                //模型顶点坐标转屏幕坐标
                v.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                
                //获取法线坐标并转换成世界坐标下的法线坐标
                float3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

                 //世界坐标下的光线坐标  //单位化坐标   //获取世界坐标下的光线坐标
                float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                
                 //上面的公式
                float3 diffuse =_LightColor0.rgb * v.color.rgb * max(0,dot(worldNormal,worldLight));

                //算出的值给颜色
                v.color = float4(diffuse,1);
                
                return v;
            }


            float4 frag (appdata_full v) : SV_Target
            {    
                //输出颜色    
                return float4(v.color,1) ;
            }
            ENDCG
        }
    }

2.2 代码实现——兰伯特逐像素算法

a.像素和顶点算法的区别

从写法角度来看，顶点算法是在顶点着色器中写的，像素算法是在片元着色器中写的。
从原理角度来说，因为顶点是初始值，经过一系列计算后，数据就会和我们想要的有些偏差。

例：让你拿笔写一个字，你可能就写了，但是让你拿竹竿上面绑个中性笔写字，你就写不准了，肯定是离画出来的地方越近，画出来越是自己想要的。

结论：像素着色器离最后的显示比较近，所以出来的结果和我们想要的更一致。

b.实现代码

Shader "Unlit/005_1"
{
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            appdata_full vert (appdata_full v)
            {   
                v.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

                //把法线转换成世界坐标，传进去
                v.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                return v;
            }

            float4 frag (appdata_full v) : SV_Target
            {
                //法线世界坐标
                float3 worldNormal = v.normal;
                //光线世界坐标
                float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                //计算颜色
                float3 diffuse =_LightColor0.rgb * v.color.rgb * max(0,dot(worldNormal,worldLight));
                
                //把颜色传进去
                return float4(diffuse,1) ;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

2.3 代码实现——半兰伯特算法

a.为什么会出现半兰伯特

兰伯特的两个算法，得到的球，在没有光线照射的时候都是黑色的，但玩游戏的时候往往希望，虽然光线无法照到，但我们可以看见。

数学知识：公式中的n*l值的范围是【-1,1】之间，我们希望把这个区间改成【0,1】（前面的课学过），【-1,1】*0.5+0.5，就可以转成【0,1】，0的时候就是之前光照模型中黑色部分，越靠近1越亮。

因为我们实际上并不是需要它看不见，只是需要它要明暗变化，所以我们在环境光的基础上加上兰伯特公式计算出的值，就有了明暗变化。

于是就出现了第三种，半兰伯特。

b.半兰伯特公式

在上图基础上：

最终颜色 = 环境光+Cdiffuse

c.代码实现

这里其他代码都没有变，只更改了上图0.5的部分。最后输出前，再加入环境光。

备注：

获取环境光强度的方法：UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz

Shader "Unlit/005_2"
{
     SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            appdata_full vert (appdata_full v)
            {
                v.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                v.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                return v;
            }

            float4 frag (appdata_full v) : SV_Target
            {
                float3 worldNormal = v.normal;
                float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                //本节变动
                //获取环境光
                float3 anbient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

                //计算范围
                float halfLamient = dot(worldNormal,worldLight)*0.5+0.5;

                //计算反射强度
                float3 diffuse =_LightColor0.rgb * v.color.rgb *halfLamient;

                //反射光加光照强度
                float3 c = anbient + diffuse;

                return float4(c,1) ;
            }
            ENDCG
        }
    }
}