Unity Shader-兰伯特光照模型与Diffuse Shader

简介

学了一段时间shader，然而一直在玩后处理，现在终于下定决心钻研一下真正的带光照的shader。从Diffuse到Specular。一个游戏的画面好坏，很大程度上取决于光照和贴图。现实世界中，我们之所以能看见东西，是因为他们要么反射了光源发出的光，要么是自身能够发光。而在游戏世界中，如果没有了光，我们虽然可以直接根据贴图显示物体的材质，但是少了很多细节光影效果，游戏显得不真实。但是，真实的光照计算是一个非常复杂的过程，对于游戏这种至少30FPS的程序来说是完全不可能的，所以我们必须要使用一种近似的光照算法，来模拟光照效果。本篇文章就来学习一下基本的光照模型以及其在unity下的shader实现。

漫反射和镜面反射

我们观察世界是因为有光进入我们的眼睛，光在世界中主要有反射和折射两种属性，当光照在某种介质表面时，一部分光发生反射，另一部分光进入介质，发生折射，也有转化为其他能量的光。本篇文章只讨论反射，折射等其他现象以后再学习。光的反射分为两种，漫反射和镜面反射。

漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时，表面会把光线向着四面八方反射，所以入射线虽然互相平行，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。这种反射的光称为漫射光。很多物体，如植物、墙壁、衣服等，其表面粗看起来似乎是平滑，但用放大镜仔细观察，就会看到其表面是凹凸不平的，所以本来是平行的太阳光被这些表面反射后，弥漫地射向不同方向。

镜面反射，是指若反射面比较光滑，当平行入射的光线射到这个反射面时，仍会平行地向一个方向反射出来，这种反射就属于镜面反射，其反射波的方向与反射平面的法线夹角（反射角），与入射波方向与该反射平面法线的夹角（入射角）相等，且入射波、反射波，及平面法线同处于一个平面内。

兰伯特光照模型

先来学习一个最简单的光照模型，兰伯特光照模型。兰伯特光照模型是目前最简单通用的模拟漫反射的光照模型，定义如下：模型表面的明亮度直接取决于光线向量（light vector）和表面法线（normal）两个向量将夹角的余弦值。光线向量是指这个点到光从哪个方向射入，表面法线则定义了这个表面的朝向。

如果漫反射光强设置为Diffuse，入射光光强为I，光方向和法线夹角为θ，那么兰伯特光照模型可以用下面的公式表示：Diffuse = I * cosθ

进一步地，我们可以通过点乘来求得两个方向向量之间的夹角，入射光方向设置为L，法线方向设置为N，如果光方向向量和法线方向向量都为单位向量（这就是为什么我们在写shader的时候需要normalize操作的原因），那么它们之间的夹角余弦值就可以表示为：cosθ = dot（L，N），最终漫反射光强公式，也就是兰伯特光照模型可以表示为：Diffuse = I  * dot（L，N）

逐顶点计算着色shader

我们在shader中需要计算输出的颜色，逐顶点着色也就是说我们的计算主要放在了vertex shader中，根据顶点来计算，每个顶点中计算出了该点的颜色，直接作为vertex shader的输出，pixel（fragment） shader的输入，当到达pixel阶段时，直接输出顶点shader的结果。比如一个三角形面片，在vertex阶段，分别计算了每个顶点的颜色值，在pixel阶段时，这个面片经过投影，最终显示在屏幕上的像素，会根据该像素周围的顶点来插值计算像素的最终颜色，这种着色方式也叫做 高洛德着色。

下面看一下unity shader实现的逐顶点着色：

Shader "ApcShader/DiffusePerVetex"
{
	//属性
	Properties{
		_Diffuse("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
	}

	//子着色器	
	SubShader
	{
		Pass
		{
			//定义Tags
			Tags{ "RenderType" = "Opaque" }

			CGPROGRAM
			//引入头文件
	        #include "Lighting.cginc"
			//定义Properties中的变量
			fixed4 _Diffuse;
			//定义结构体：应用阶段到vertex shader阶段的数据，如果定义了
			struct a2v
			{
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			};
			//定义结构体：vertex shader阶段输出的内容
			struct v2f
			{
				float4 pos : SV_POSITION;
				fixed4 color : COLOR;
			};

			//定义顶点shader
			v2f vert(a2v v)
			{
				v2f o;
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
				//把法线转化到世界空间
				float3 worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);
				//归一化法线
				worldNormal = normalize(worldNormal);
				//把光照方向归一化
				fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
				//根据兰伯特模型计算顶点的光照信息,dot可能有负值，小于0的部分可以理解为看不见，直接取0
				fixed3 lambert = max(0.0, dot(worldNormal, worldLightDir));
				//