【Unity Shaders】学习笔记——SurfaceShader（三）BasicDiffuse和HalfLambert

【Unity Shaders】学习笔记——SurfaceShader（三）BasicDiffuse和HalfLambert

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写作本系列文章时使用的是Unity5.3。
写代码之前：

  1. 当然啦，如果Unity都没安装的话肯定不会来学Unity Shaders吧？

  2. 阅读本系列文章之前你需要有一些编程的概念。

  3. 在VS里面，Unity Shaders是没有语法高亮显示和智能提示的，VS党可以参考一下这篇文章使代码高亮显示，也可以下载shaderlabvs或NShader之类的插件使代码高亮显示。

  4. 这是针对小白的Unity Shaders的基础知识，如果你已经有了基础或者你是大神，那么这些文章不适合你。

  5. 由于作者水平的局限，文中或许会有谬误之处，恳请指出。

还记得前面说的创建Surface Shader的方法吗？按照之前的方法，新建一个Shader，命名为BasicDiffuse。

  1. 先将修改Properties里的内容：

Properties {
        _EmissiveColor ("Emissive Color", Color) = (1,1,1,1)
        _AmbientColor ("Ambient Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MySliderValue ("This is a Slider", Range(0,10)) = 2.5
    }

  1. 将#pragma surface surf Standard fullforwardshadows改为：

#pragma surface surf BasicDiffuse

这说明我们要用BasicDiffuse光照模型，这是我们自定义的一个光照模型。

  1. 定义在Properties里声明过的变量：

float4 _EmissiveColor;
float4 _AmbientColor;
float _MySliderValue;

  1. 修改你的surf函数：

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o){
    float4 c;
    c = pow((_EmissiveColor+_AmbientColor), _MySliderValue);
    o.Albedo = c.rgb;
    o.Alpha = c.a;
}

注意输出结构的类型，做了修改。

  1. 添加下面这个函数，这就是我们自定义的光照模型：

inline float4 LightingBasicDiffuse (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten){
    float difLight = max(0, dot (s.Normal, lightDir));
    float4 col;
    col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (difLight * atten * 2);
    col.a = s.Alpha;
    return col;
}

解释

  1. 在surf函数里，我们将自发光颜色和漫反射颜色相加的和作为底数，然后将_MySliderValue的值作为次幂，进行幂运算得到四元浮点向量c，输出的反射值等于c的RGB颜色，输出的透明通道等于c的透明通道。这其实就是将自发光颜色和漫反射颜色进行了一定的混合。

  2. 自定义的光照模型的命名规则是“Lighting”+“自定义的光照名称”。这样就定义了一个光照模型。
    光照模型有5种原型：

    half4 LightingName (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, half atten);
half4 LightingName (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, half atten);
half4 LightingName_PrePass (SurfaceOutput s, half4 light);
half4 LightingName_DirLightmap(SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, bool surfFuncWritesNormal);
half4 LightingName_DirLightmap(SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, fixed3 viewDir, bool surfFuncWritesNormal,out half3 specColor);

    这里我们用的就是第一种原型。第一个参数是输出结构，第二个参数是光线方向，也就是光源到物体表面上的点的向量，是单位向量，第三个参数衰减度，attenuation的缩写，因为光线被物体反射之后，会有能量损失，所以会有衰减。我们看到，这个参数没有被赋值，所以它是Unity内置的一个参数，我们知道它表示衰减就可以了。
    函数里第一句计算的是漫反射的光强。dot是点乘。将表面的法向量和光线角度点乘，也就是光线和法向量的夹角越大，光线在法向量方向的分量越小，即反射的光越弱。因为夹角超过90度的时候，是负值，所以用max函数使结果大于0。max(x,y)就是取x,y中的最大值。
    第三句的意思就是颜色值=反射值×平行光的颜色×漫反射光强×衰减度×2.
    _LightColor0也是Unity内置的一个变量，它在不同的render path和pass里的意义不同，在这里就是平行光的颜色。
    后面的这个2应该是个经验数值，可以根据自己想要的效果修改。
    这就是基本漫反射的计算方法。
    我们来看一下它的效果：
    新建一个Sphere，将BasicDiffuse材质赋给它。将Slider的数值调为0.不出意外的话，你看到的效果是这样的：
    enter description here
    更改自发光的颜色，然后调节Slider，我们发现，Slider数值越大，自发光颜色越明显：
    enter description hereenter description here
    现在将自发光改回白色，更改漫反射的颜色，然后调节Slider：
    不出意外的话，看到的效果和自发光一样，Slider=0时，阴影是灰色的，自发光和漫反射的颜色不起作用，数值越大，则自发光和漫反射的颜色越明显。
    接下来，同时更改自发光和漫反射的颜色，比如红色和绿色，我们看到球变成了黄色，也就是红光和绿光混合的效果：
    enter description here
    你还可以自己再调节其他颜色试试看，看看都会有些什么效果。
    还有那个函数里的数值2，你也可以改改试试看哟~

HalfLambert

接下来再学习一个经典的光照模型——HalfLambert（半兰伯特）。
很简单，我们先把光照模型改名为HalfLambert，也就是修改光照函数和#pragma。
先修改一句：

float difLight = dot (s.Normal, lightDir);

然后添加一句：

float hLambert = 0.5 * difLight + 0.5;

再改一句：

 col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (hLambert * atten * 2);

原先difLight区间[-1,0]的部分变成了[0,0.5]，如果直接用max函数使结果大于0的话，小于0的部分都会等于0，也就是背光面都会是黑色。如果用半兰伯特公式的话，小于0的部分就会从0渐变到0.5，颜色的灰度是会有变化。同时，亮部的亮度也提高了。
HalfLambert是由Valve公司提出的技术，是一种用于在低光照区域照亮物体的技术。它用来防止某个物体的背光面丢失形状并且显得太过平面化。这个技术是没有任何物理原理的，是一种感性的视觉增强。

附：代码清单

Shader "Custom/BasicDiffuse" {
    Properties {
        _EmissiveColor ("Emissive Color", Color) = (1,1,1,1)
        _AmbientColor ("Ambient Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MySliderValue ("This is a Slider", Range(0,10)) = 2.5
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200
        
        CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
        #pragma surface surf BasicDiffuse

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0

        float4 _EmissiveColor;
        float4 _AmbientColor;
        float _MySliderValue;

        struct Input{
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o){
            float4 c;
            c = pow((_EmissiveColor+_AmbientColor), _MySliderValue);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }

        inline float4 LightingBasicDiffuse (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten){
        float difLight = max(0, dot (s.Normal, lightDir));
        float4 col;
        col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (difLight * atten * 2);
        col.a = s.Alpha;
        return col;
        }

        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

HalfLambert光照模型函数：

inline float4 LightingHalfLambert (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten){
    float difLight = dot (s.Normal, lightDir);
    float hLambert = 0.5 * difLight + 0.5;
    float4 col;
    col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (hLambert * atten * 2);
    col.a = s.Alpha;
    return col;
}
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