兰伯特光照模型是经验模型，主要用来模拟粗糙物体表面的光照现象，即漫反射。
漫反射特点
1：反射强度与观察者的角度没有关系
2：反射强度与光线的入射角度有关系
漫反射光照符合兰伯特定律（Lambert’s law）：反射光线的强度与表面法线和光源方向之间夹角的余弦值成正比，夹角越大，受到的光线照射量越少，当夹角大于90度，光线照射物体背面，此时认为光照强度为0。
漫反射公式：漫反射 = 光源颜色 x 模型基础颜色 x（法线 · 光源方向），这里使用max函数防止结果为负值，另外可以乘以一个系数来控制最终结果。这里法线和光源方向点乘表示两者之间的夹角，夹角越大点乘值越小
漫反射，兰伯特逐顶点光照
Shader "MyCustom/Diffuse_Lambert_Vertex"
{
Properties
{
//材质的漫反射颜色
_Color("Base Color", color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
//漫反射系数
_kD("kD", Range(0, 1)) = 1
}
SubShader
{
Tags {
"RenderType"="Opaque" }
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
// make fog work
#pragma multi_compile_fog
//引入Unity内置的一些变量
#include "UnityCG.cginc"
//UnityCG.cginc中定义了结构体appdata_base，appdata_tan，appdata_full用于顶点着色器输入
//这里自定义appdata类型，只包含需要的数据
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION; //顶点位置
float3 normal : NORMAL; //法线
};
//顶点着色器输出
struct v2f
{
//SV_POSITION是裁剪空间中的顶点坐标，它是DirectX 10中引入的系统数值语义，在大多数平台上，它和POSITION语义是等价的，
//但在某些平台（例如PS4）上必须使用SV_POSITION来修饰顶点着色器的输出，否则无法让Shader正常工作
//SV_POSITION一旦被作为顶点着色器的输出语义，那么顶点位置就被固定了，后续不能再被改变它的空间位置
float4 vertex : SV_POSITION;
float4 col : COLOR;
};
//为了使用Properties语义块中声明的属性，需要定义一个和该属性类型相匹配的变量
//由于颜色属性的范围在0到1之间，因此我们可以使用fixed精度的变量来存储它
float4 _Color;
float _kD;
//表示这个变量的初始值来自于外部的其他环境
uniform float4 _LightColor0;
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
//Unity内置 模型 * 世界 * 投影矩阵 UNITY_MATRIX_MVP，把顶点位置从模型空间转换到裁剪空间中
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
//在计算法线和光线之间的点积时，只有两者处于同一坐标系下，它们的点积才有意义,
//所以需要把顶点的法线从模型空间转到世界空间，unity_WorldToObject是4*4
float3 worldNormal = normalize(mul(float4(v.normal, 0.0), unity_WorldToObject).xyz);
//也可以这么写
// float3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
//获取光源方向(们假设场景中只有一个光源且该光源的类型是平行光)
float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
//当法线和光线之间夹角大于90时，光线是在照射物体的背面，此时光照强度为0
float lambert = max(dot(worldNormal, worldLight), 0.0);
//也可以使用saturate函数把参数截取到[0, 1]的范围内，防止负值
// float lambert = saturate(dot(worldNormal, worldLight));
float3 diffuse = _kD * lambert * _Color.rgb * _LightColor0.rgb;
//环境光
float3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
float3 finalColor = diffuse + ambient;
o.col = float4(finalColor, 1.0);
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
return i.col;
}
ENDCG
}
}
}
漫反射，兰伯特逐像素光照
Shader "MyCustom/Diffuse_Lambert_Pixel"
{
Properties
{
_Color("Base Color", color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
_kD("kD", Range(0, 1)) = 1
}
SubShader
{
Tags {
"RenderType"="Opaque" }
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
// make fog work
#pragma multi_compile_fog
#include "UnityCG.cginc"
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
//顶点着色器中计算世界空间下法线，传递给片元着色器
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
};
float4 _Color;
float _kD;
uniform float4 _LightColor0;
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
return o;
}
//将光照的计算转移到片元着色器中
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
float3 worldNormal = i.worldNormal;
float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
float lambert = max(dot(worldNormal, worldLight), 0.0);
float3 diffuse = _kD * lambert * _Color.rgb * _LightColor0.rgb;
float3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
float3 finalColor = diffuse + ambient;
return float4(finalColor, 1.0);
}
ENDCG
}
}
}
半兰伯特逐像素光照
Shader "MyCustom/HalfLambert"
{
Properties
{
_Color ("Base Color", color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
_kD ("kD", Range(0, 1)) = 1
}
SubShader
{
Tags {
"RenderType"="Opaque" }
LOD 100
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
// make fog work
#pragma multi_compile_fog
#include "UnityCG.cginc"
struct appdata
{
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f
{
float4 vertex : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
};
float4 _Color;
float _kD;
uniform float4 _LightColor0;
v2f vert (appdata v)
{
v2f o;
o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
return o;
}
fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
float3 worldNormal = i.worldNormal;
float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
// 广义上的半兰伯特 half lambert = light * diffuse * (α* (n * l) + β)
// half lambert = light * diffuse * (0.5 * (n * l) + 0.5)
float halfLambert = 0.5 * dot(worldNormal, worldLight) + 0.5;
float3 diffuse = _kD * halfLambert * _Color.rgb * _LightColor0.rgb;
float3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
float3 finalColor = diffuse + ambient;
return float4(finalColor, 1.0);
}
ENDCG
}
}
}
实际对比
逐顶点光照：计算量较小，明暗过渡的边缘有锯齿，不够自然。而且，由于逐顶点光照会在渲染图元内部对顶点颜色进行插值，这会导致渲染图元内部的颜色总是暗于顶点处的最高颜色值，这在某些情况下会产生明显的棱角现象
逐像素光照：计算量较大，光照效果更加平滑，有一个问题仍然存在。在被光面，模型的外观通常是全黑的，没有任何明暗变化，由公式 max(dot(n, l), 0) 可以看出，被光面颜色都是0，这会使模型的背光区域看起来就像一个平面一样，失去了模型细节表现。为此，有一种改善技术被提出来，这就是半兰伯特光照模型
半兰伯特光照：为了解决兰伯特光照不够亮的问题，n * l 的值域是 [-1, 1]， 0.5 * dot(n * l) + 0.5 处理后值域变成了 [0, 1]
参考《Unity Shader入门精要》