Unity shader 官网文档全方位学习（二）Lighting model及自定义Lighting model

原文地址  http://www.kankanews.com/ICkengine/archives/85875.shtml

上文咱们学了surface shader。这玩意在开始的时候啊，在定义哪个函数处理surface时用一定要指定Lighting model（即光照模型）的。自带的是Lambert和BlinnPhong.本文首先对这两个进行说明，后面讲解如何自定义光照模型及对官方实例的解析。http://docs.unity3d.com/Documentation/Components/SL-SurfaceShaderLighting.html

一、简单光反射模型

1.反射，其实就是光照到物体上，然后再由物体反射出去。这种过程就叫反射。

2.漫反射，物体表面可能是不光滑的，因此自然法线就不是均匀的，那么这种情况下，当几条平行光照向物体时，反射回来的光线就不再是平行的了，这种情况叫漫反射。

3.镜面反射：与漫反射对应，如果物体表面光滑，即法线均匀（不一定都平行，会有曲面的情况），则反射回来的也是均匀的，这种情况叫镜面反射。

4.环境光：光线照到指定物体的周围物体，这时指定物体上有光线反射到，这种光可称为环境光或泛光。

5.光照 = 反射光 + 镜面光 + 环境光 + 自发光。

对于简单光反射模型： 入射光 = 反射光 + 吸引光。而实际上来说还需要加上投射光与散射光。

二、Lambert和BlinnPhong

1.冯式反射模型：Phong reflection 是一种将漫反射与镜面反射进行关联在一些的反射方法。

2.Lambert：一种主要应用于漫反射的光照模型。

3.BlinnPhong: 一种主要应用于镜面反射的光照模型。

三、自定义光照模型

1.规则：定义一个函数，必须以 Lighting开头，可以写在shader文件里的任意位置或其他include的文件。
=>half4 LightingName (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten);  这种是无viewDir，在上文中有说到viewDir就是返回给视角的方向，不用依赖此值，就类似于漫反射的效果。因为漫反射中出来的光线是由不规则的表面来决定。

=>half4 LightingName (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten); 这个方法是相对于上面的，需要依赖于viewDir。

=>half4 LightingName_PrePass (SurfaceOutput s, half4 light); 这个方法是可选的，如果需要光照延时（deferred），就加上此方法，不写则全部采用快速光照（forward）。

2.自定义解码光照

注意，如果使用了LightingName_PrePass，则光照解码的方法在此方法之前，因此是有了光照延时。具体会针对与SingleLightMapping、DualLightMapping和StandardLightMapping三种的方法，与LightMapping的定义函数类似，具体的这里不介绍，可参考官方文档：http://docs.unity3d.com/Documentation/Components/SL-SurfaceShaderLighting.html

三、实例学习

1.自定义一个简单的漫反射光照模型：

#pragma surface surf SimpleLambert  //1

half4 LightingSimpleLambert (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten) { //2
    half NdotL = dot (s.Normal, lightDir);  //3
    half4 c;   //4
    c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (NdotL * atten * 2);  //5
    c.a = s.Alpha; //6
    return c; //7
}

//1: 定义使用SimpleLambert做为光照模型

//2: 光照模型的定义。这里说说atten，根据atten的意思（衰减器），可以理解到，这个参数就是光照的衰减值。

//3：算一点积，光照方向与法线的点积，可理解为光照与法线的夹角。

//4：定义输出的颜色四元组。

//5：光照的颜色 = 物体反射颜色 * 原光的颜色* 经过折射的衰减颜色。_LightColor0是在Lighting.cginc 里定义的，我理解成反射光的颜色。另外还有一个_SpecColor，对应是镜面反射光的颜色。此处由于资料稀缺，全部个人的学习所得，如有错误，欢迎指出！

//6：设置光的透明与反射透明一致。

//7：返回。

效果：

2.Diffuse wrap

#pragma surface surf WrapLambert

half4 LightingWrapLambert (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten) {
    half NdotL = dot (s.Normal, lightDir);
    half diff = NdotL * 0.5 + 0.5;  //!
    half4 c;
    c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (diff * atten * 2);
    c.a = s.Alpha;
    return c;
}

此1不同的只是//! 处，这里算得一个diff，目的是将原得出的点积单位从[-1,1]转换成[0,1]之间。

这样做的用法，在各方问人，加上自己思想，想到的是将所有的坐标转成正值，这样，在其接受到光源反射的所有地方都会有光，这样使得光照的范围扩大了不少。

3.Toon Ramp

#pragma surface surf Ramp

sampler2D _Ramp;

half4 LightingRamp (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten) {
    half NdotL = dot (s.Normal, lightDir);
    half diff = NdotL * 0.5 + 0.5;
    half3 ramp = tex2D (_Ramp, float2(diff)).rgb;  //1
    half4 c;
    c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * ramp * (atten * 2);
    c.a = s.Alpha;
    return c;
}

这里对比于2，把本来是固定的diff，再加上一个材质。

//1中，直接将diff强转成float2的坐标系，向_Ramp的材质中查找出相应的rgb。最终也以此rgb值及其他光照值得出光照的rgb值。这种效果可以考虑来做光晕。这里我用一张具体的图，以float2(diff)为uv找的效果会有点奇怪。不过现象可以反映出来。

效果：

4.Simple Specular

#pragma surface surf SimpleSpecular

half4 LightingSimpleSpecular (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten) {
     half3 h = normalize (lightDir + viewDir);

     half diff = max (0, dot (s.Normal, lightDir));

     float nh = max (0, dot (s.Normal, h));
     float spec = pow (nh, 48.0);

     half4 c;
     c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * diff + _LightColor0.rgb * spec) * (atten * 2);
     c.a = s.Alpha;
     return c;
}

这个例子是自定义一个镜面反射的例子。c.rgb 的组成可拆成一个漫反射和一个镜面反射的组合。

c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * diff * (atten * 2)) + (_LightColor0.rgb * spec * (atten * 2));   

前半段就是漫反射，不讲了。后面半段区别用到了镜面反射值。而这个值来自于：

float nh = max (0, dot (s.Normal, normalize (lightDir + viewDir)));

首先，光的方向和视角方向都是决定镜面反射的重要因素，不能没lightDir，否则镜面反射则只跟视角来了，那样是不现实的。因此此处需要让两个方向的向量之和与表面法线进行点积。这个nh范围是在大于0的。由于两个单位向量点积，因此得出的值则是 0到1之间。

后面取pow是为了放小nh的值，其值越小，则镜面反射就越小。

上效果：