【猫猫的Unity Shader之旅】之Lambert光照

　　在介绍高光材质的时候我们提到了Lambert(兰伯特)光照，这是一种surface shader中非常常用的光照模型。兰伯特光照用来描述简单的漫反射情形时非常好用。这种光照模型的特点就是颜色的亮度会随着光照方向与物体表面的垂直程度来决定，当光照方向垂直于物体时，颜色就会非常亮，接近平行时，颜色就会非常暗。兰伯特光照其实是这样一个等式：

　　I_diffuse = I_incomingk_diffusemax(0, N·L)

Lambert 原理

　　首先，我们来回忆一下颜色的产生过程。学过物理的人都知道，比如我们看到一个物体是红色，其实是由于它反射了红色的光，如果我们把这个红色的物体放到一个密室中，用绿色的光照射它，那么我们看到的物体应该是黑色，因为它不能反射绿色的光。也就是说我们通常说的物体的颜色其实指的是它对于不同颜色光的反射能力，我们给它一个名字叫反射率(Albedo)。这个反射率用一个三元数来表示对光的颜色的三个不同分量的反射程度。比如刚才的红色物体，我们就可以说它的Albedo是(1.0, 0.0, 0.0)，当我们用太阳光(白色)照射它时，显示为红色(1,0, 0.0, 0.0)，是一个乘的关系。

　　我们再看下上面的等式(人家专业名字叫光照方程)，前半部分I_incomingk_diffuse就表示光照颜色和反射率相乘。然而在现实世界中，由于光照直射程度的不同，物体的颜色也会有明暗的变化，为了表示这种变化，Lamber光照又加入了表示直射程度的修正参数max(0, N·L)。当光照方向L与物体法线方向N平行时，即光照垂直于物体表面，这个参数为最大值1，垂直时，为最小值0，max函数为了避免当两者夹角大于180度时情况，因为此时光照在后面，我们不考虑这种情况。

需要解决的几个问题

• 光照颜色从哪来
• 反射率从哪来
• 光照方向和法线方向从哪来

　　嗯。正是光照方程的几个数据。先说第一个，Unity内部已经为我们提供了很多参数，具体可以看这里，其中有一个就是_LightColor0，表示光照颜色，但是需要添加特定的Tag才能正确使用，后面会说到。至于反射率当然是由我们自己定义，由shader用户输入，毕竟物体是什么颜色还是要我们自己说了算。

　　光照的方向就要分情况讨论了。有个内置的_WorldSpaceLightPos0变量，当它的ｗ是０的时候表示这是一个方向光，此时xyz直接表示方向光的方向(世界坐标系)，如果w不是0，则表示这是一个点光，此时xyz表示点光的位置(世界坐标系)，我们需要手动计算光照方向。聚光灯属于比较复杂的情况这里就先不讨论了。

　　法线在物体坐标系下的数据我们可以从appdata_xxx中获得，但是我们也光照方向是用世界坐标表示的，我们需要把法线从物体坐标转换到世界坐标，具体方法是右乘物体坐标到世界坐标的转换矩阵的转置矩阵的逆矩阵，这句话有点复杂，还好Unity已经给我们提供了内置的变量，用法线方向右乘_World2Object * unity_Scale.w。需要注意的是_World2Object * unity_Scale.w的右下角的元素其实是不正确的(文档有描述)，但是我们的向量是三元数，乘的时候是需要补零的因此右下角的元素不会影响结果。另一点是我们的法线计算出来后会进行标准化所以 unity_Scale.w(用来修正缩放)也不需要了。这一块比较复杂，如果看不明白可以先记住怎么用。

简单的Lambert实现

　　写具体代码之前其实还有一个问题就是我们的Shader用的是哪个光照。在Unity中我们可以有多个光源，也可以设置不同的渲染路径(在Edit->Project Setting->Quality中)，不过这次我们先考虑前向渲染路径的情况。

　　在前向光照中有三种处理：

• 逐像素处理(pixel light)
• 逐顶点处理
• 球谐函数（Spherical Harmonics，SH）处理

　　这里为了简单起见，我们仍然只关注逐像素处理的方式。Unity中光照的规则还是很复杂的，还是以后有机会慢慢探索吧。

　　那么什么样的光照是pixel light呢，大概有这么几个规则：

• Unity所谓的“第一个像素光“，总是场景中最重要的方向光。光照的RenderMode会改变这里所说的”最重要“。
• 像素光数目，在Edit->Project Settings->Quality中设置，一定程度上影响RenderMode为Auto的光源是否为pixel light。

　　对于场景中有多个pixel light的情况，我们需要用多个Pass来分别处理。对于”第一个像素光”，Unity会调用Tags中有”RenderMode“ = ”ForwardBase“的Pass，其他的则调用Tags中有”RenderMode“ = ”ForwardAdd“的。

　　不同的Pass之间的关系依然是通过Blend来处理。

　　下面是大家期待已久的完整代码：

Shader "Custom/BasicLambert" {    Properties {        _Albedo("Material Albedo", Color) = (1, 1, 1, 1)    }    SubShader {        Pass        {            Tags{"LightMode" = "ForwardBase"}   //处理“第一个像素光”            CGPROGRAM            #pragma vertex vert            #pragma fragment frag            #include "UnityCG.cginc"    //包含大多数内置变量，由于某些未知原因_LightColor0被除外            uniform float4 _LightColor0;            uniform float4 _Albedo;            struct v2f            {                float4 vertPos : SV_POSITION;                float4 vertColor : COLOR;            };            v2f vert(appdata_full IN)            {                v2f o;                float3 normalDir = normalize(mul(float4(IN.normal, 0.0), _World2Object).xyz);   //法线方向从模型坐标到世界坐标                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);  //ForwardBase处理的一定是方向光所以_WorldSpaceLightPos0直接表示方向                o.vertColor = float4(_LightColor0.rgb * _Albedo.rgb * max(0, dot(normalDir, lightDir)), 1.0);   //光照方程                o.vertPos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, IN.vertex);                return o;            }            float4 frag(v2f v) : COLOR            {                return v.vertColor;            }            ENDCG        }        Pass        {            Tags{"LightMode" = "ForwardAdd"}    //其他的pixel light            Blend One One           //颜色叠加            CGPROGRAM            #pragma vertex vert            #pragma fragment frag            #include "UnityCG.cginc"            uniform float4 _LightColor0;            uniform float4 _Albedo;            struct v2f            {                float4 vertPos : SV_POSITION;                float4 vertColor : COLOR;            };            v2f vert(appdata_full IN)            {                v2f o;                float3 normalDir = normalize(mul(float4(IN.normal, 0.0), _World2Object).xyz);                float3 lightDir;                float atten;        //表示颜色衰减                if(_WorldSpaceLightPos0.w == 0.0)   //处理方向光                {                    atten = 1.0;        //方向光无衰减                    lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);                }                else    //处理点光                {                    float3 vertex2Light = _WorldSpaceLightPos0.xyz - mul(_Object2World, IN.vertex).xyz;     //顶点到点光的向量                    atten = 1.0 / length(vertex2Light);     //点光线性衰减，当然如果你愿意也可以以其他形式衰减                    lightDir = normalize(vertex2Light);                }                o.vertColor = float4(_LightColor0.rgb * _Albedo.rgb * max(0, dot(normalDir, lightDir)) * atten, 1.0);   //方程加入衰减                o.vertPos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, IN.vertex);                return o;            }            float4 frag(v2f v) : COLOR            {                return v.vertColor;            }            ENDCG        }    }     FallBack "Diffuse"}

　　下面是一些效果图：

　　

　　这是单个白色方向光，物体为红色的情况。

　　

　　红绿两种方向光，物体为白色的情况。

　　

　　红色方向光和蓝色点光，物体为白色的情况。

　　可以看到第三种情况有较为明显的明暗变化。如果模型换成球效果应该会更好。

结束语

　　真的已经往简单的写了，其实其中很多细节我也还没有研究明白。也可以看出来用Vertex&Fragment Shader写Shader需要填补多少细节，不像Surface Shader那样傻瓜化。不过还是那句话，两者各有方便之处，按需选择，就像傻瓜相机和专业相机，没有哪个一定比哪个好，看使用情况。