【Unity Shaders】Diffuse Shading——创建一个自定义的diffuse lighting model(漫反射光照模型)

时间:2021-08-05 07:07:15

本系列主要参考《Unity Shaders and Effects
Cookbook》
一书(感谢原书作者),同时会加上一点个人理解或拓展。

这里是本书所有的插图。这里是本书所需的代码和资源(当然你也可以从官网下载)。

========================================== 分割线 ==========================================

上一篇中,我们学了怎样在surface shader(这里即指surf函数)中使用自己定义的Properties变量。而在之前的学习中,我们实际上使用的都是Unity内置的Diffuse Lighting Model,即漫反射光照模型。这一次,我们将学习如何让Unity使用我们自己定义的光照模型进行渲染。

准备工作


  1. 使用上一篇结束时的shader代码即可。
    Shader "Custom/BasicDiffuse" {
    Properties {
    _EmissiveColor ("Emissive Color", Color) = (1,1,1,1)
    _AmbientColor ("Ambient Color", Color) = (1,1,1,1)
    _MySliderValue ("This is a Slider", Range(0,10)) = 2.5
    }
    SubShader {
    Tags { "RenderType"="Opaque" }
    LOD 200
    CGPROGRAM
    #pragma surface surf Lambert //We need to declare the properties variable type inside of the
    //CGPROGRAM so we can access its value from the properties block.
    float4 _EmissiveColor;
    float4 _AmbientColor;
    float _MySliderValue; struct Input
    {
    float2 uv_MainTex;
    }; void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
    {
    //We can then use the properties values in our shader
    float4 c;
    c = pow((_EmissiveColor + _AmbientColor), _MySliderValue);
    o.Albedo = c.rgb;
    o.Alpha = c.a;
    } ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
    }

实现


  1. 将上述代码的第11行,即#pragma surface surf Lambert一行,改为如下代码:
    #pragma surface surf BasicDiffuse
  2. 向SubShader中添加如下函数(位置需在#pragma下面):
            inline float4 LightingBasicDiffuse (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten)
    {
    float difLight = max(0, dot (s.Normal, lightDir));
    float4 col;
    col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (difLight * atten * 2);
    col.a = s.Alpha;
    return col;
    }
  3. 保存,进入Unity查看编译结果。
Unity编译成功后,你会发现Material并没有什么可视化变化。因为上面仅仅是将Unity自带的Surface Lighting Model——Lambert,换成了我们自定义的光照模型——BasicDiffuse。

解释


  1. "#pragma surface"将直接告诉Shader使用哪个光照模型用于计算。当我们最初创建了一个Shader时,Untiy为我们指定了一个默认的光照模型即Lambert(在Lighting.cginc中定义)。因此我们一开始可以使用这个默认的模型进行渲染。而现在,我们告诉Shader,嘿,使用一个名叫BasicDiffuse的光照模型给我渲染哦!
  2. 为了创建一个新的光照模型,我们需要声明一个新的光照模型函数。例如上面,我们声明了BasicDiffuse,并且定义了一个函数名叫LightingBasicDiffuse,如你所见,这两者之间的关系即为Lighting<自定义的光照模型名称>。下面有三种可供选择的光照模型函数:
    • half4 LightingName (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten){}

      这个函数被用于forward rendering(正向渲染),但是不需要考虑view direction(观察角度)时。

    • half4 LightingName (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten){}

      这个函数被用于forward rendering(正向渲染),并且需要考虑view direction(观察角度)时。

    • half4 LightingName_PrePass (SurfaceOutput s, half4 light){}

      这个函数被用于需要使用defferred rendering(延迟渲染)时。

  3. 观察我们定义的光照模型函数。dot函数是一个Cg的内置数学函数,可以被用于比较空间中两个向量的方向。若两个参数向量均为单位向量(一般如此),-1表示两向量平行但方向相反,1表示两向量平行且方向相同,0表示两向量垂直。
  4. 为了完成光照模型函数,我们还使用了一个Unity提供的数据——类型为SurfaceOutput的变量s。我们将s.Albedo(从surf函数中输出)和_LightColor0.rgb(Unity提供)相乘,结果再乘以(difLight * atten * 2),最后作为颜色值进行输出。
到这里,可能大家还会对LightingBasicDiffuse的代码不理解。下面再谈一下我的理解。
  1. 首先是参数。s是上一个surf函数的输出。
            void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
    {
    //We can then use the properties values in our shader
    float4 c;
    c = pow((_EmissiveColor + _AmbientColor), _MySliderValue);
    o.Albedo = c.rgb;
    o.Alpha = c.a;
    }

    由上可以看出,经过surf函数,计算输出了s的Albedo(反射率)和Alpha(透明度)。

    LightBasicDiffuse函数输出的将是一个surface上某一点的颜色值和透明度值。因此lightDir对应该点的光照方向。而atten表明了光线的衰减率。

  2. 光照模型函数中的第一行代码通过dot函数和max函数,计算到达该点的光照值(由于dot函数的两个参数都是单位向量,也可以理解成是入射光线的角度的余弦值,角度越大,余弦值越小,进入人眼的光线也就越少,物体看起来也就越暗)。由于光线有可能从相反射入,因此通过dot得到的值有可能是负数。如果不用max加以限制,之后将会得到非预期的效果,如全黑等。
  3. 接下来计算颜色值col。col的rgb由三个部分计算而得:第一个部分是surface本身的反射率,这很好理解,因为反射率越大,进入人眼的光线就越多,颜色也就越鲜亮;第二个是_LightColor0.rgb。_LightColor0是Unity内置变量,我们可以使用它得到场景中光源的颜色等;最后便是利用第一步中得到的光照值和衰减率的乘积。细心的童鞋可以发现,这里后面多乘了一个倍数2。按我的猜测,这里仅仅是根据需要自行修改的。例如,没有倍数2时,效果如下:

    【Unity Shaders】Diffuse Shading——创建一个自定义的diffuse lighting model(漫反射光照模型)

    乘以倍数2后效果如下:

    【Unity Shaders】Diffuse Shading——创建一个自定义的diffuse lighting model(漫反射光照模型)

结束语


更多关于Surface Shader光照模型函数参数的信息,可以参见Unity官方文档

呼呼,这次就到这里!