在UnityShader中实现漫反射光照模型
关于模型空间,世界空间等的区别可见:
(23条消息) D3D11世界空间,观察空间和模型空间(静态摄像头)_x-2010的笔记-CSDN博客_观察空间
逐顶点的漫反射光照实现:
Shader "Custom/DiffuseVertexLevel"
{
Properties
{
_DiffuseColor("color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
}
SubShader
{
Pass
{
Tags{
"LightMode" = "ForwardBase"
}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
half4 _DiffuseColor;
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
float3 color : COLOR;
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(v2f, o);
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
half3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
half3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
half3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
half3 mdiffuse = _LightColor0.rgb * _DiffuseColor * saturate(dot(worldNormal, worldLight));
o.color = mdiffuse + ambient;
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
return fixed4(i.color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
Fallback "Diffuse"
}
saturate函数:把参数截取到[0, 1]范围内,saturate(x)的作用是如果x取值小于0,则返回值为0。如果x取值大于1,则返回值为1。若x在0到1之间,则直接返回x的值。
结果可以看出来,在向光面和背光面交界处有明显锯齿存在,这是由于使用顶点计算光照的原因,对于细分程度较低的模型会存在一些视觉问题,但对于细分程度高的模型则不会出现这种情况。
对于代码中涉及的法线变化,mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)。假设使用3×3的变换矩阵M来变换顶点,则对于法线的变换矩阵为M的逆转置矩阵(具体推导见《UnityShader入门精要》章节4.7)。如果同样使用矩阵M对法线进行变换,可能会出现如下图的问题。
逐像素漫反射光照实现:
Shader "Custom/DiffusePixelLevel"
{
Properties
{
_DiffuseColor("color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
}
SubShader
{
Pass
{
Tags{
"LightMode" = "ForwardBase"
}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
half4 _DiffuseColor;
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(v2f, o);
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
half3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
half3 mdiffuse = _LightColor0.rgb * _DiffuseColor * saturate(dot(normalize(i.worldNormal), worldLight));
half3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
half3 color = mdiffuse + ambient;
return fixed4(color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
Fallback "Diffuse"
}
显然,逐像素的漫反射不会有锯齿出现。
原因:对于逐顶点的漫反射光照,在顶点着色器中计算光照,在片元着色器中通过对顶点着色器的光照进行插值得到像素颜色。在逐像素的漫反射光照中,计算光照在片元着色器中,通过对法线进行插值得到像素的法线,然后计算光照。
分析:直接使用顶点颜色对像素颜色插值是线性插值,但显然由光照的计算公式知光照与法线和光照方向的叉积有关,即与cos(法线,光照方向)有关,对于像素来说,像素的法线是线性变化的,可以直接插值处理的。但光照并不是线性变化的,而是以余弦函数变化。所以在细分程度较低的模型中,直接对法线插值才能得到比对光照插值更符合现实的光照。
实现HalfLambert模型
Shader "Custom/HalfLambert"
{
Properties
{
_DiffuseColor("color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
}
SubShader
{
Pass
{
Tags{
"LightMode" = "ForwardBase"
}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
half4 _DiffuseColor;
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(v2f, o);
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
half3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
half3 mdiffuse = _LightColor0.rgb * _DiffuseColor * 0.5 * dot(normalize(i.worldNormal), worldLight) + 0.5;
half3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
half3 color = mdiffuse + ambient;
return fixed4(color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
Fallback "Diffuse"
}
HalfLambert模型在原基础上进一步添加了环境光(ambient),使得暗面也同样有光照。
高光反射光照模型实现(基于顶点着色器):
// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
Shader "Custom/SpecularVertexLevel"
{
Properties
{
_DiffuseColor("Color", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
_GlossColor("GlossColor", Color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
_Gloss("Gloss", float) = 1
}
SubShader
{
Pass
{
Tags{
"LightMode" = "ForwardBase"
}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "UnityCG.cginc"
#include "Lighting.cginc"
half4 _DiffuseColor;
half4 _GlossColor;
float _Gloss;
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
float3 color : COLOR;
};
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(v2f, o);
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
half3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
half3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
half3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
half3 mdiffuse = _LightColor0.rgb * _DiffuseColor.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));
half3 worldCamera = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);
half3 specular = _LightColor0.rgb * _GlossColor.rgb * pow(saturate(dot(worldCamera, normalize(reflect(-worldLight, worldNormal)))), _Gloss);
o.color = mdiffuse + ambient + specular;
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
return fixed4(i.color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
Fallback "Diffuse"
}
_WorldSpaceLightPos0:返回的是顶点到光源的单位向量。所以在计算反射方向时用负值计算。
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