【UnityShader_Ojors的脚印】Diffuse漫反射
在很多学习 Shader 的资料上，都是以标准光照模型开始，也就是常见的漫反射和高光反射光照模型，我的这系列也不列外，该篇先从漫反射开始。
漫反射是生活中很常见的一种光线反射现象，光线照射在物体表面时，会向各个方向进行散射。一个点的漫反射由入射光线的角度决定，入射角越大，视觉观感得到的光强越弱。
漫反射，截自维基百科
在 Shader 中，决定最终视觉效果的是物体表面的颜色、光照颜色、法向量和入射光线方向（注意这里的入射光线是从表面顶点指向光源）
漫反射，截自维基百科
物体表面颜色和光照颜色很容易理解，那么法向量和入射光线方向是干嘛用的呢？
上面谈到，漫反射由入射光线的角度决定，而这里决定的就是在屏幕显示时对应颜色的强弱，一个简单的例子就是，一个白色的物体，在光线直射的地方，白色会很亮，接近纯白，而在光线侧向照射的地方，白色就没那么白了，会带些许的阴影，在图形显示上颜色会变成灰色甚至是黑色。
这里所说的强弱，由法线和入射光线决定，两向量形成的夹角越小，则越接近直射效果，而当夹角大于或等于90°时，表面接受不到光照，呈黑色。衡量这个夹角，我们使用余弦值，即反射光线强度与表面法线和光源方向夹角的余弦值成正比。
于是有了如下的漫反射计算公式：
![][0]
[0]:http://latex.codecogs.com/png.latex?diffuse=(lightColorM_{diffuse})max(0,\overrightarrow{n}\cdot\overrightarrow{l})
其中，lightColor为光照颜色，Mdiffuse为材质颜色，n 和 l 分别为表面法向量和光源方向。我们可以这样理解，前面括号内的部分是要显示的目标颜色，后面的最大值计算，是为了得到要显示的颜色强度，而取最大值，是为了避免因为夹角大于 90° 出现负值的情况，我们在开发中，可以使用 saturate() 函数来代替最大值函数，该函数会把传进的数值截取到 [0,1] 之间。然后，这里为什么单两个向量点积就能得到余弦值呢？
我们知道，点积展开公式如下：
![][1]
[1]:http://latex.codecogs.com/png.latex?\overrightarrow{n}\cdot\overrightarrow{l}=\left|n\right|\left|l\right|cos\theta
在计算时，我们为了方便，会把两个向量做归一化处理，也就是模为1，由此以上点积公式就变成了：
![][2]
[2]:http://latex.codecogs.com/png.latex?\overrightarrow{n}\cdot\overrightarrow{l}=cos\theta
理论工作做完，就到了代码部分了：
逐顶点光照
逐顶点光照，顾名思义，就是对模型的顶点进行光照着色，这种方式在性能上占有，但是效果没有逐像素光照细腻
Shader "Ojors/DiffuseShader" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
}
SubShader {
Pass {
Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
struct vertIn {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct vertOut {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR;
};
vertOut vert (vertIn i) {
vertOut o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
fixed3 worldNormal = normalize(mul(i.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
o.color = ambient + diffuse;
return o;
}
fixed4 frag (vertOut i) : SV_Target {
return fixed4(i.color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}
对于上篇已经讲述过的内容，这里就不再赘述，我们只关注实现部分：
首先是属性：
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
}
这里定义了一个颜色属性，默认值是白色，表示使用该 Shader 的材质的颜色
#include "Lighting.cginc"
这里包含的光照文件里定义了我们需要获取的光照颜色，其实打开这个文件的话大家会发现，这里面定义了很多很实用的光照模型的计算函数，如果我们只是需要用到里面的变量，比如：_LightColor0，我们可以只包含 UnityLightingCommon.cginc 这个文件即可。
struct vertIn {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct vertOut {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR;
};
这里定义了两个结构体，一个是用于接收 Unity 外部输入的值，我们需要获取顶点以及表面法线；另一个是用于存储从顶点着色器到片段着色器需要传递的值，我们需要传递空间转换后的顶点坐标以及要输出的颜色。（注意：对于输入结构体和输出结构体顶点位置的语义，输入结构体我们使用 POSITION，而输出结构体我们使用 SV_POSITION，我查阅资料得知对于存储顶点的寄存器，输入和输出是不同的，所以我们一般会在两个结构体中对顶点定义不同的语义，但我在 Unity 5 中试过都用 SV_POSITION，其实并不会报错，我猜测可能是 Unity 为我们进行了处理，但为了兼容性和规范性，我们还是对输入和输出结构体定义不同的语义吧。）
vertOut vert (vertIn i) {
vertOut o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
fixed3 worldNormal = normalize(mul(i.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
o.color = ambient + diffuse;
return o;
}
这里是逐顶点光照的计算过程：
首先要做的当然是顶点坐标的变换，然后提取环境光。
【这里要说一下什么是环境光：我们在现实中看到的所有物体，都受其他物体所反射的颜色的影响，比如一个场景：红色的地毯上摆放着一个茶几，茶几除了接收到自然光的照射外，还受到地毯所反射的颜色的影响，使其带有淡淡的红色。而环境光在 Unity 中可以通过 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 变量获取到】
然后是对法线进行从模型坐标系到世界坐标系的转换（只有在同一坐标空间下，点积才有意义），前面的篇章已经提到法线的变换，需要使用顶点变换矩阵的转置矩逆阵进行变换，在这里，我们使用法线右乘矩阵 unity_WorldToObject 来得到转置逆矩阵的效果（最近更新了Unity 5.4， 发现 _WorldToObject 矩阵命名变成了 unity_WorldToObject，这里需要注意！！！）。
然后获取当前光照的方向：_WorldSpaceLightPos0
当然，上述操作都要把向量进行归一化处理。
最后就是进行漫反射的计算了，套用上面讲到的公式即可，返回跟环境光混合后的最终颜色。
fixed4 frag (vertOut i) : SV_Target {
return fixed4(i.color, 1.0);
}
对于逐顶点光照，片段着色器的代码非常简单，只需要把顶点着色器计算得到的颜色结果输出即可。
逐像素光照
逐顶点光照因为是基于顶点来计算的，所以对于顶点数较少的模型，出来的效果可能不会很好，可能会产生锯齿，而逐像素光照可以解决锯齿问题，但因为是逐像素的计算，性能较逐顶点计算会较低，这里的取舍要看具体需要。
逐像素光照和逐顶点光照的计算方式其实大同小异，只是把顶点进行的光照计算移到了片段着色器中：
首先要说的是结构体：
struct vertIn {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct vertOut {
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
};
这里的第二个结构体与逐顶点计算的稍微不同，worldNormal 量获取的是在世界坐标系下的法线，属于我们自定义的数据。对于自定义的数据，我们习惯把其语义定义成 TEXCOORD，但其实除了输入结构体中的特定数据、POSITION 和 SV_POSITION 外，输出结构体我们用什么语义都是可以的，其实质是 GPU 中的寄存器，但是为了规范书写，还是建议使用 TEXCOORD 来存储自定义数据。
然后是顶点着色器：
vertOut vert(vertIn i){
vertOut o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex);
o.worldNormal = normalize(mul(i.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
return o;
}
这里简单地把法线从模型坐标转换到了世界坐标。
片段着色器：
fixed4 frag(vertOut i) : SV_Target{
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
fixed3 normal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(normal, worldLightDir));
fixed3 color = ambient+ diffuse;
return fixed4(color, 1.0);
}
基本与前面讲到的相同。值得注意的一点是，法线到了片段着色器需要再一次进行归一化处理，原因是法线从顶点着色器到片段着色器的过程中，法线会进行插值处理，得到的法线不一定是单位长度的法线了，对后面的计算会产生影响。
Half Lambert（半兰伯特）光照模型
对于上述的光照，在背光面会产生一个问题，没有光照的地方会表现成纯黑，会失去一些模型的细节，而为了弥补这个缺陷，有了 Half Lambert 光照模型。（注意：该模型没有物理依据，只是一个视觉的加强技术）
Half Lambert 光照模型计算公式：
![][4]
[4]:http://latex.codecogs.com/png.latex?diffuse=(lightColorM_{diffuse})(\alpha*(\overrightarrow{n}\cdot\overrightarrow{l})+\beta)
原来的 max 部分被括号部分代替
其中：alpha 和 beta 分别代表阴影面和光照面的权重，alpha 越大，阴影面越大，alpha+beta = 1。
以逐像素光照为例，与上面的 Shader 对比，该光照模型区别的代码是片段着色器：
vertOut vert (vertIn i) {
vertOut o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, i.vertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb;
fixed3 worldNormal = normalize(mul(i.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * (dot(worldNormal, worldLightDir)*0.7+0.3);
o.color = ambient + diffuse;
return o;
}
关键一句：
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * (dot(worldNormal, worldLightDir)*0.7+0.3);
可以看到，我这里把 alpha 设为 0.7，beta 设为0.3，看图对比就能看出区别：
板兰伯特光照（左） & 普通光照（右）
最后给出三个 Shader 的对比图：
Half Lambert（左）逐像素（中）逐顶点（右）
