【Unity Shader】三、漫反射Diffuse Shader例子
学习目标：
- 漫反射Diffuse Shader，逐顶点计算和逐像素计算。
- 半兰伯特（HalfLambert）光照模型。
- 结合材质自身的色彩（Material Color）及环境光（Ambient）。
漫反射计算公式：
漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩
其中max(0, cos(光源方向和法线方向夹角))部分可以改用半兰伯特光照模型以增强背光面的光照效果。
逐顶点漫反射
Shader "Custom/04-Diffuse Vertex" { // 逐顶点漫反射 Properties{ _Diffuse("Diffuse Color", Color) = (1,1,1,1) // 可在编辑器面板定义材质自身色彩 } SubShader{ Pass { // 只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量 Tags{"LightMode" = "ForwardBase"} CGPROGRAM // 包含unity的内置的文件，才可以使用Unity内置的一些变量 #include "Lighting.cginc" // 取得第一个直射光的颜色_LightColor0 第一个直射光的位置_WorldSpaceLightPos0（即方向） #pragma vertex vert #pragma fragment frag fixed4 _Diffuse; // 使用属性 struct a2v { float4 vertex : POSITION; // 告诉Unity把模型空间下的顶点坐标填充给vertex属性 float3 normal : NORMAL; // 告诉Unity把模型空间下的法线方向填充给normal属性 float4 texcoord : TEXCOORD0; // 告诉Unity把第一套纹理坐标填充给texcoord属性
// POSITON、NORMAL、TEXCOORD0都是Unity内置的变量 }; struct v2f { float4 position : SV_POSITION; // 声明用来存储顶点在裁剪空间下的坐标 float3 color : COLOR; // 用于传递计算出来的漫反射颜色
// SV_POSITION、COLOR都是Unity内置的变量 }; // 计算顶点坐标从模型坐标系转换到裁剪面坐标系 v2f vert(a2v v) { v2f f; f.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); // UNITY_MATRIX_MVP是内置矩阵。该步骤用来把一个坐标从模型空间转换到剪裁空间 // 环境光 fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb; // 法线方向。把法线方向从模型空间转换到世界空间 fixed normalDir = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); // 反过来相乘就是从模型到世界，否则是从世界到模型 // 光照方向 fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说，光的位置就是光的方向，因为光是平行光 // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩 fixed3 diffuse = _LightColor0 * max(0, dot(normalDir, lightDir)) * _Diffuse; // 融合材质自身色彩用乘法 // 加上环境光 f.color = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法（通常亮度会增加） return f; } // 计算每个像素点的颜色值 fixed4 frag(v2f f) : SV_Target { return fixed4(f.color, 1); // f.color是float3已经包含了三个数值 } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }
如果去掉自定义的_Diffuse（材质自身色彩）属性和环境光（Ambient），漫反射颜色值将仅由光源颜色来决定。白色光源的显示效果如下：
现在想要融合材质自身的颜色值来显示，编辑器面板选择一个材质自身的色彩，显示效果如下：
最后再加上环境光（UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT），能看到变白变亮了，效果如下：
逐像素漫反射
Shader "Custom/05-Diffuse Fragment" { // 逐像素漫反射 Properties{ _Diffuse("Diffuse Color", Color) = (1,1,1,1) // 可在编辑器面板定义材质自身色彩 } SubShader{ Pass { // 只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量 Tags{"LightMode" = "ForwardBase"} CGPROGRAM // 包含unity的内置的文件，才可以使用Unity内置的一些变量 #include "Lighting.cginc" // 取得第一个直射光的颜色_LightColor0 第一个直射光的位置_WorldSpaceLightPos0（即方向） #pragma vertex vert #pragma fragment frag fixed4 _Diffuse; // 使用属性 struct a2v { float4 vertex : POSITION; // 告诉Unity把模型空间下的顶点坐标填充给vertex属性 float3 normal : NORMAL; // 告诉Unity把模型空间下的法线方向填充给normal属性 float4 texcoord : TEXCOORD0;// 告诉Unity把第一套纹理坐标填充给texcoord属性 }; struct v2f { float4 position : SV_POSITION; // 声明用来存储顶点在裁剪空间下的坐标 float3 worldNomalDir : COLOR; // 用于存储世界空间下的法线方向 }; // 计算顶点坐标从模型坐标系转换到裁剪面坐标系 v2f vert(a2v v) { v2f f; f.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); // UNITY_MATRIX_MVP是内置矩阵。该步骤用来把一个坐标从模型空间转换到剪裁空间 // 法线方向。把法线方向从模型空间转换到世界空间 f.worldNomalDir = (mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); // 反过来相乘就是从模型到世界，否则是从世界到模型 return f; } // 计算每个像素点的颜色值 fixed4 frag(v2f f) : SV_Target { // 环境光 fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb; // 法线方向。 fixed normalDir = normalize(f.worldNomalDir); // 单位向量 // 光照方向。 fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说，光的位置就是光的方向，因为光是平行光 // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩 fixed3 diffuse = _LightColor0 * max(0, dot(normalDir, lightDir)) * _Diffuse; // 颜色融合用乘法 // 加上环境光 fixed3 tempColor = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法（亮度通常会增加） return fixed4(tempColor, 1); // tempColor是float3已经包含了三个数值 } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }
如下图，左边逐像素计算，右边逐顶点计算，在观察背光面阴影边缘时能看出明显差别，逐顶点计算的阴影过度呈块状的。
半兰伯特（HalfLambert）光照模型
直接修改上面frag函数中漫反射Diffuse颜色的计算公式。
// 计算每个像素点的颜色值 fixed4 frag(v2f f) : SV_Target { // 环境光 fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb; // 法线方向。 fixed normalDir = normalize(f.worldNomalDir); // 单位向量 // 光照方向。 fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); // 对于每个顶点来说，光的位置就是光的方向，因为光是平行光 // 半兰伯特光照 float3 halfLambert = dot(normalDir, lightDir) * 0.5 + 0.5; // 使得背光面不至于为0全黑 // 漫反射Diffuse颜色 = 直射光颜色 * max(0, cos(光源方向和法线方向夹角)) * 材质自身色彩 fixed3 diffuse = _LightColor0 * halfLambert * _Diffuse; // 颜色融合用乘法 // 加上环境光 fixed3 tempColor = diffuse + ambient; // 颜色叠加用加法（亮度通常会增加） return fixed4(tempColor, 1); // tempColor是float3已经包含了三个数值 }
可以看到在背光面也有了少量光照，明显没有旁边的对照组那么黑。
注意点：
- 颜色融合是相乘，颜色叠加是相加（通常亮度会增加）。
- 逐像素计算光照要比逐顶点计算光照更加消耗性能。
学习资料：
