Unity Shader - 兰伯特漫反射

news2024/12/23 5:59:48

兰伯特漫反射公式：

漫反射（Diffuse）= 光源颜色 * max（0，cos（光方向和法线的夹角））

公式原理：

从上面图片可以看出光照方向 L 与物体法相 N形成的余弦值越大，反射光越大，角度为0度的时候最强 Cos(0) = 1,大于等于90度的时候为0 Cos(90) = 0;

所以我们首先需要计算出法向量N和入射光方向L的角度的余弦值。

我们可以通过他们的点乘来计算，公式如下：

把向量归一化处理后，|L| 和 |N| 都是1，可以简化为：

让我们来实现以下：

逐顶点漫反射：

Shader "Unlit/001"
{
    Properties
    {
        // 漫反射颜色
        _Diffuse ("_Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"
            
            float4 _Diffuse;
            struct v2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 color : Color;
            };

            v2f vert (v2v v)
            {
                v2f o;
                // 将对象空间中的点变换到齐次坐标中的摄像机裁剪空间
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 光源方向
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                // 将法向量转到世界坐标法向量
                float3 normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                // 环境光颜色
                float3 ambinet = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                // 光源颜色 0 表示第一套光源 ，场景里可以有多个光源
                float3 lightColor = _LightColor0.xyz;
                // 漫反射公式 计算
                float3 diffuse = _Diffuse * lightColor * max(0,dot(lightDir,normal));
                o.color = diffuse + ambinet;
                return o;   
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float4 color = float4(i.color,1);
                return color;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

逐片源漫反射：

Shader "Unlit/002"
{
    Properties
    {
        // 漫反射颜色
        _Diffuse ("_Diffuse",Color) = (1,1,1,1)
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"
            
            float4 _Diffuse;
            struct v2v
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;                
            };

            v2f vert (v2v v)
            {
                v2f o;
                // 将对象空间中的点变换到齐次坐标中的摄像机裁剪空间
                o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                // 将法向量转到世界坐标法向量
                o.normal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                return o;   
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                // 光源方向
                float3 lightDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz;
                // 光源颜色
                float lightColor = _LightColor0.rgb;
                // 漫反射公式 计算
                float3 diffuse = lightColor * lightDir * max(0,dot(lightDir,i.normal));
                float3 ambinet = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
                float3 color = diffuse + ambinet;
                return float4(color,1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

让我们看以下效果：左边是逐顶点漫反射，右边是逐片元漫反射
逐顶点的漫反射与逐片元的漫反射的区别在于顶点漫反射在阴影切换处会有明显的锯齿反应（不过在我这电脑上看并不明显），可以看的到明显的顶点。而片元漫反射则相对切换平滑。相对的，逐片元就比逐顶点好性能。

背光效果：

我们看到背光的地方非常暗，完全就看不见模型纹理了，这样的话效果在游戏里太影响体验了，于是就有了 半兰伯特光照模型 ,该技术是Valve公式在开发游戏《半条命》时提出的，由于该技术是在原兰伯特光照模型的基础上修改的，所以被称为半兰伯特光照模型

漫反射（Diffuse）= 光源颜色 * （cos（光方向和法线的夹角）* 0.5 + 0.5）

其实就是把结果范围从 [-1,1] 映射到 [0,1]的范围内。这样的话在背光面也会有明暗变化，不会完全黑掉。

整体代码我就不贴出来了，把公式部分贴出来

// 漫反射公式 计算
//float3 diffuse = _Diffuse * lightColor * max(0,dot(lightDir,normal));
float3 diffuse = _Diffuse * lightColor * (dot(lightDir,normal) * 0.5 + 0.5);

正面：