Cg Programming In Unity Diffuse Reflection(Wiki翻译自用)

本教程介绍了每个顶点的漫反射。
这是有关Unity中基本照明的一系列教程中的第一篇。 在本教程中，我们从单个方向性光源的漫反射开始，然后包括点光源和多个光源（使用多次通过）。 进一步的教程将对此进行扩展，特别是镜面反射，每个像素光照和双面光照。

漫反射

月球几乎只表现出漫反射（也被称为兰伯特反射，），即光被反射到所有方向而没有镜面反射高光（理想的漫反射）。此类材质的其他示例是粉笔和磨砂纸。实际上，任何看起来暗淡无光的表面都是漫反射。在完全漫反射的情况下，观察到的反射光的强度取决于表面法线矢量和入射光夹角的余弦。如左图所示，通常考虑从计算照明的曲面上一点开始的归一化矢量：归一化表面法线向量N垂直于表面，归一化光照方向L指向光源。
对于观察到的漫反射光 $I_{diffuse}$ 我们需要归一化表面法线向量N与光源L归一化方向之间的夹角余弦，即点积N·L，因为 两个向量a和b的点积a·b为：$a\cdot b=|a||b|\cos \measuredangle (a,b)$ 。
对于归一化向量，长度$|a|$和$|b|$都是1。
如果点积$N\cdot L$为负，那么光源在表面”错误“的一侧，我们应该将反射设置为0。可以通过$max(0,N\cdot L)$保证点积的结果不为负，当点积结果为负时固定为0。此外，反射光取决于入射光强度$I_{incoming}$和材质反射常量$k_{diffuse}$：对于黑色表面，$k_{diffuse}=0$，对于白色表面，$k_{diffuse}=1$。
漫反射公式为：
*

$I_{diffuse}=I_{incoming}{k}_{diffuse}max(0,N\cdot L)$

对于彩色光，该方程适应于每种颜色的分量（例如，红，绿，蓝）。因此，如果$I_{diffuse}$,$I_{incoming}$和$k_{diffuse}$表示颜色矢量，并且乘法是逐分量执行的（它们用于Cg中的矢量），此等式也适用于彩色光。 这就是我们在着色器代码中实际使用的东西。

单个定向光源（平行光）的shader代码

如果我们只有一个平行光，则用于为$I_{diffuse}$实现方程式的shader代码相对较小。为了实现方程式，我们遵循有关实现方程式的问题：

• 应该在顶点着色器还是片元着色器中实现方程？我们在这里尝试在顶点着色器。 在“平滑镜面高光”部分，我们将介绍片段着色器中的实现。
• 应该在哪个坐标系中实现方程式？ 我们默认在Unity中使用世界空间。（事实证明，这是一个不错的选择，因为Unity在世界空间中提供了光的方向）。
• 我们从哪里获得参数？这个答案有点长：
  我们使用一个shader属性使用户指定漫反射材质颜色$k_{diffuse}$。我们可以通过Unity内置的参数_WorldSpaceLightPos0获得指向世界空间中光源的方向，通过内置参数_LightColor0获得光照颜色$I_{incoming}$。如”Shading in World Space“所描述的，我们必须使用标签
  Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}标记着色器通道，以使得这些内置的uniform参数具有正确的值。（之后我们将讨论此标签的实际含义）。我们从具有Normal语义的顶点输入参数获得在对象空间中的表面法线向量。由于我们在世界空间中实现此方程，因此必须按照”Silhouette Enhancement“一节中所讨论的一样，将法线向量变换到世界空间。
  shader代码如下：

Shader "Cg per-vertex diffuse lighting" {Properties {_Color ("Diffuse Material Color", Color) = (1,1,1,1) }SubShader {Pass {	Tags { "LightMode" = "ForwardBase" } // make sure that all uniforms are correctly setCGPROGRAM#pragma vertex vert  #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc"uniform float4 _LightColor0; // color of light source (from "UnityLightingCommon.cginc")uniform float4 _Color; // define shader property for shadersstruct vertexInput {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct vertexOutput {float4 pos : SV_POSITION;float4 col : COLOR;};vertexOutput vert(vertexInput input) {vertexOutput output;float4x4 modelMatrix = unity_ObjectToWorld;float4x4 modelMatrixInverse = unity_WorldToObject;float3 normalDirection = normalize(mul(float4(input.normal, 0.0), modelMatrixInverse).xyz);// alternative: // float3 normalDirection = UnityObjectToWorldNormal(input.normal);float3 lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);float3 diffuseReflection = _LightColor0.rgb * _Color.rgb* max(0.0, dot(normalDirection, lightDirection));output.col = float4(diffuseReflection, 1.0);output.pos = UnityObjectToClipPos(input.vertex);return output;}float4 frag(vertexOutput input) : COLOR{return input.col;}ENDCG}}Fallback "Diffuse"
}

使用此着色器时，请确保场景中只有一个光源，该光源必须是平行光。

Fallback Shaders

shader代码中的Fallback“ Diffuse”行定义了一个内置的Fallback着色器，以防Unity找不到合适的子着色器。 对于我们的示例，如果Unity不使用前向渲染路径（请参见下文），则它将使用Fallback shader。通过为我们的着色器属性选择特定名称“ _Color”，确保此内置Fallback Shader也可以访问它。内置着色器的源代码可在Unity网站上获得。检查此源代码似乎是确定合适的Fallback Shader及其使用的属性名称的唯一方法。

多个平行（像素）光的shader代码

到目前为止，我们仅考虑了单个光源。 为了处理多个光源，Unity根据渲染和质量设置选择各种技巧。在此处的教程中，我们将仅介绍“前向渲染路径”。（此外，应将所有摄像机配置为使用播放器设置，这是默认设置。）
在本教程中，我们仅考虑Unity的所谓像素灯。 对于第一个像素光（也就是平行光），Unity调用shader Pass的标记Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }（如上面代码所示）。对于每增加一个平行光，Unity调用shader Pass的标记Tags { "LightMode" = "ForwardAdd" }，为了确保所有光源都渲染为像素光源，必须确保质量设置允许足够的像素光源：选择Edit > Project Settings > Quality，然后在您使用的任何质量设置中增加标记为Pixel Light Count的数字。如果场景中的光源多于像素光数量允许的范围，那么Untiy仅将最重要的光作为像素光进行渲染。或者，您可以将Render Mode 设置为Important，以将其渲染为像素光源。
到目前为止，对于ForwardBasePass，我们的着色器代码还可以。对于ForwardAddPass，我们需要将反射光添加到已经存储在帧缓冲区的光中。为此，我们只需要配置 blend 即可将新的片元输出颜色添加到帧缓冲区中的颜色。如“Transparency”部分所述，这是通过以下行指定的加法混合方程实现的：

Blend One One

Blend自动将所有结果固定在0到1之间，因此我们不需要担心颜色或者alpha值大于1。
总而言之，我们用于多个定向光源的新着色器为：

Shader "Cg per-vertex diffuse lighting" {Properties {_Color ("Diffuse Material Color", Color) = (1,1,1,1) }SubShader {Pass {	Tags { "LightMode" = "ForwardBase" } // pass for first light sourceCGPROGRAM#pragma vertex vert  #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc"uniform float4 _LightColor0; // color of light source (from "UnityLightingCommon.cginc")uniform float4 _Color; // define shader property for shadersstruct vertexInput {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct vertexOutput {float4 pos : SV_POSITION;float4 col : COLOR;};vertexOutput vert(vertexInput input) {vertexOutput output;float4x4 modelMatrix = unity_ObjectToWorld;float4x4 modelMatrixInverse = unity_WorldToObject; float3 normalDirection = normalize(mul(float4(input.normal, 0.0), modelMatrixInverse).xyz);float3 lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);float3 diffuseReflection = _LightColor0.rgb * _Color.rgb* max(0.0, dot(normalDirection, lightDirection));output.col = float4(diffuseReflection, 1.0);output.pos = UnityObjectToClipPos(input.vertex);return output;}float4 frag(vertexOutput input) : COLOR{return input.col;}ENDCG}Pass {	Tags { "LightMode" = "ForwardAdd" } // pass for additional light sourcesBlend One One // additive blending CGPROGRAM#pragma vertex vert  #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc"uniform float4 _LightColor0; // color of light source (from "UnityLightingCommon.cginc")uniform float4 _Color; // define shader property for shadersstruct vertexInput {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct vertexOutput {float4 pos : SV_POSITION;float4 col : COLOR;};vertexOutput vert(vertexInput input) {vertexOutput output;float4x4 modelMatrix = unity_ObjectToWorld;float4x4 modelMatrixInverse = unity_WorldToObject; float3 normalDirection = normalize(mul(float4(input.normal, 0.0), modelMatrixInverse).xyz);float3 lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);float3 diffuseReflection = _LightColor0.rgb * _Color.rgb* max(0.0, dot(normalDirection, lightDirection));output.col = float4(diffuseReflection, 1.0);output.pos = UnityObjectToClipPos(input.vertex);return output;}float4 frag(vertexOutput input) : COLOR{return input.col;}ENDCG}}Fallback "Diffuse"
}

这似乎是一个相当长的着色器。但是，除了Tags和ForwardAdd Pass中的Blend设置之外，两个Pass都是相同的。

点光源变化

对于平行光源，_WorldSpaceLightPos0指定了光源入射方向。但是，对于点光源，_WorldSpaceLightPos0指定了光源在世界空间中的位置。我们必须计算光源方向为世界空间中，顶点坐标到光源位置的差向量。因为点的第四坐标为1（点光源），方向的第四坐标为0（平行光），我们可以轻松区分这两种情况：

			float3 lightDirection;if (0.0 == _WorldSpaceLightPos0.w) // directional light?{lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);} else // point or spot light{lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - mul(modelMatrix, input.vertex).xyz);}

虽然平行光没有光的衰减，但我们应该增加点光源随距离的衰减。当光从一个点在三个维度上扩散时，它以更大的距离覆盖了更大的虚拟球体。由于这些球体的表面随半径的增加而呈平方增加，因此，每个区域的光量随与点光源的距离增加而呈二次方减少。因此，我们应将光源的强度除以到顶点的距离的平方。
由于二次衰减相当快，因此我们使用随距离变化的线性衰减，即将强度除以距离而不是平方距离。 代码可以是：

			float3 lightDirection;float attenuation;if(0.0 == _WorldSpaceLightPos0.w){attenuation = 1.0;lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);}else{float3 vertexToLightSource = _WorldSpaceLightPos0.xyz- mul(unity_ObjectToWorld,input.vertex).xyz;float distance = length(vertexToLightSource );attenuation = 1.0/distance;lightDirection = normalize(vertexToLightSource);}

然后将衰减因子attenuation 乘以_LightColor0来计算入射光。请参见下面的着色器代码。请注意，点光源具有其他功能，这些功能超出了本教程的范围。
另外请注意，此代码不太可能为您提供最佳性能，因为任何if通常都非常昂贵。由于_WorldSpaceLightPos0.w为0或1，因此实际上不必重写代码即可避免使用if并进一步优化代码：

			float3 vertexToLightSource = _WorldSpaceLightPos0.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, input.vertex * _WorldSpaceLightPos0.w).xyz ;float one_over_distance = 1.0 / length (vertexToLightSource);float attenuation = lerp(1.0, one_over_distance, _WorldSpaceLightPos0.w); float3 lightDirection =  vertexToLightSource * one_over_distance;

但是，为清楚起见，我们将使用带有if的版本。
多个定向和点光源的完整着色器代码为：

Shader "Cg per-vertex diffuse lighting" {Properties {_Color ("Diffuse Material Color", Color) = (1,1,1,1) }SubShader {Pass {	Tags { "LightMode" = "ForwardBase" } // pass for first light sourceCGPROGRAM#pragma vertex vert  #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc"uniform float4 _LightColor0; // color of light source (from "UnityLightingCommon.cginc")uniform float4 _Color; // define shader property for shadersstruct vertexInput {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct vertexOutput {float4 pos : SV_POSITION;float4 col : COLOR;};vertexOutput vert(vertexInput input) {vertexOutput output;float4x4 modelMatrix = unity_ObjectToWorld;float4x4 modelMatrixInverse = unity_WorldToObject; float3 normalDirection = normalize(mul(float4(input.normal, 0.0), modelMatrixInverse).xyz);float3 lightDirection;float attenuation;if (0.0 == _WorldSpaceLightPos0.w) // directional light?{attenuation = 1.0; // no attenuationlightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);} else // point or spot light{float3 vertexToLightSource = _WorldSpaceLightPos0.xyz - mul(modelMatrix, input.vertex).xyz;float distance = length(vertexToLightSource);attenuation = 1.0 / distance; // linear attenuation lightDirection = normalize(vertexToLightSource);}float3 diffuseReflection = attenuation * _LightColor0.rgb * _Color.rgb* max(0.0, dot(normalDirection, lightDirection));output.col = float4(diffuseReflection, 1.0);output.pos = UnityObjectToClipPos(input.vertex);return output;}float4 frag(vertexOutput input) : COLOR{return input.col;}ENDCG}Pass {	Tags { "LightMode" = "ForwardAdd" } // pass for additional light sourcesBlend One One // additive blending CGPROGRAM#pragma vertex vert  #pragma fragment frag #include "UnityCG.cginc"uniform float4 _LightColor0; // color of light source (from "UnityLightingCommon.cginc")uniform float4 _Color; // define shader property for shadersstruct vertexInput {float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;};struct vertexOutput {float4 pos : SV_POSITION;float4 col : COLOR;};vertexOutput vert(vertexInput input) {vertexOutput output;float4x4 modelMatrix = unity_ObjectToWorld;float4x4 modelMatrixInverse = unity_WorldToObject;float3 normalDirection = normalize(mul(float4(input.normal, 0.0), modelMatrixInverse).xyz);float3 lightDirection;float attenuation;if (0.0 == _WorldSpaceLightPos0.w) // directional light?{attenuation = 1.0; // no attenuationlightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);} else // point or spot light{float3 vertexToLightSource = _WorldSpaceLightPos0.xyz - mul(modelMatrix, input.vertex).xyz;float distance = length(vertexToLightSource);attenuation = 1.0 / distance; // linear attenuation lightDirection = normalize(vertexToLightSource);}float3 diffuseReflection = attenuation * _LightColor0.rgb * _Color.rgb* max(0.0, dot(normalDirection, lightDirection));output.col = float4(diffuseReflection, 1.0);output.pos = UnityObjectToClipPos(input.vertex);return output;}float4 frag(vertexOutput input) : COLOR{return input.col;}ENDCG}}Fallback "Diffuse"
}

请注意，ForwardBasePass中的光源始终是定向光。 因此，实际上可以简化第一遍的代码。 另一方面，在两次Pass中使用相同的Cg代码，可以更轻松地将代码从一个Pass复制并粘贴到另一个Pass，以防万一我们必须编辑着色器代码。

聚光灯变化

Unity借助“ Cookies”部分中所述的cookie纹理实现聚光灯； 但是，这有些超前。 在这里，我们将聚光灯视为点光源。

总结

您刚刚了解了Unity的每个像素灯光如何工作。 对于以后有关更高级照明的教程，这是必不可少的。 我们还看到了：

• 什么是漫反射以及如何进行数学描述（$I_{diffuse}=I_{incoming}{k}_{diffuse}max(0,N\cdot L)$）。
• 如何在着色器中为单个平行光实现漫反射。
• 如何扩展具有线性衰减的点光源的着色器。
• 如何进一步扩展着色器以处理多个逐像素的光照。