紧接上一篇：https://blog.csdn.net/yinhun2012/article/details/80912620
之前两篇博客，我们学习了一般光照模型对物体颜色的作用公式，如下：
surfaceColor = emissive + ambient + diffuse + specular；
这次我们就来实际在图形引擎中用shader cg实现一下，看下具体效果，效果图如下：
这里我做了一个放射光为鲜红色的高亮材质球，其中fragment函数是自己实现的通用光照模型计算，cg代码如下：
Shader
"Unlit/GeneralLightUnlitShader"
{
Properties
{
_EmissiveColor(
"emissive",
Color) = (
1,
1,
1,
1)
_AmbientColor(
"embient",
Color) = (
1,
1,
1,
1)
_AmbientFactor(
"e_factor",
Color) = (
1,
1,
1,
1)
_LightColor(
"light",
Color) = (
1,
1,
1,
1)
_DiffuseFactor(
"d_factor",
Color) = (
1,
1,
1,
1)
_SpecularFactor(
"s_factor",
Color) = (
1,
1,
1,
1)
_SpecShininess(
"s_shininess",
Range(
10,
100)) =
10
}
SubShader
{
Tags {
"RenderType"=
"Opaque" }
LOD
100
Pass
{
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include
"UnityCG.cginc"
#include
"Lighting.cginc"
struct app2vert
{
float4 vertex :
POSITION;
float3 normal :
NORMAL;
};
struct vert2frag
{
float4 pos :
SV_POSITION;
float3 worldNormal :
TEXCOORD0;
float3 worldPos :
TEXCOORD1;
};
float3 _EmissiveColor;
/*自己定义的放射颜色*/
float3 _AmbientColor;
/*自己定义的环境光颜色，一般我们都是用unityLighting中的自带字段*/
float4 _AmbientFactor;
/*自己定义的环境反射系数，为什么用一个color字段储存呢？博客中我会谈到*/
float3
_LightColor;
/*自己定义的太阳光颜色，当然这个我们也是一般使用unityLighting中自带的场景中directionlight的颜色了*/
float4 _DiffuseFactor;
/*自己定义的Diffuse漫反射系数，float4值*/
float4 _SpecularFactor;
/*自己定义的Sepcular镜面反射系数，float4值*/
float _SpecShininess;
/*自己定义的specular的强度指数*/
vert2frag
vert (app2vert av)
{
vert2frag vf;
//使用mvp矩阵将顶点位置变换到投影空间位置
vf.pos =
mul(
UNITY_MATRIX_MVP,av.vertex);
//使用M矩阵将法线位置变换到模型空间法线位置的单位向量
vf.worldNormal =
normalize(
mul(
UNITY_MATRIX_M,av.normal));
//使用M矩阵将顶点位置变换到模型空间位置的单位向量
vf.worldPos =
normalize(
mul(
UNITY_MATRIX_M,av.vertex).xyz);
return vf;
}
fixed4
frag (vert2frag vf) :
SV_Target
{
//根据lighting.cginc中的字段准备一些参数
float3 unity_buildin_ambient_light_color =
UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
/*unity自带的环境光颜色*/
//float3 unity_buildin_ambient_light_color = _AmbientColor; /*或者自己指定ambientColor*/
float3 unity_buildin_world_p2sun_dir =
normalize(-
WorldSpaceLightDir(
float4(vf.worldPos,
1)));
/*unity自己的光线入射方向计算相反的的p点到太阳的朝向单位向量*/
float3 unity_buildin_light_color =
_LightColor0.rgb;
/*unity自带的入射光颜色*/
//float3 unity_buildin_light_color = _LightColor; /*或者自己指定lightColor*/
float3 unity_buildin_eye2p_dir =
normalize(
_WorldSpaceCameraPos.xyz - vf.worldPos.xyz);
/*unity自带的eye眼睛到p点朝向单位向量*/
float3 h_dir_or_call_VplusL_dir =
normalize(unity_buildin_eye2p_dir + unity_buildin_world_p2sun_dir);
/*计算出的H向量的单位向量*/
/*surfaceColor = emissive + ambient + diffuse + specular根据这个公式一步一步来计算*/
//先计算emissive
float3 emissive = _EmissiveColor;
//再计算ambient
float3 ambient = _AmbientFactor.rgb * unity_buildin_ambient_light_color;
/* 或者float3 ambient = _AmbientFactor.rgb * _AmbientColor; */
//再计算diffuse
float3 diffuse = _DiffuseFactor.rgb * unity_buildin_light_color *
max(
dot(vf.worldNormal,unity_buildin_world_p2sun_dir),
0);
//再计算specular
float3 specular = _SpecularFactor.rgb * unity_buildin_light_color *
pow(
max(
dot(vf.worldNormal,h_dir_or_call_VplusL_dir),
0),_SpecShininess);
//最终计算surfaceColor
fixed4 sCol =
fixed4(emissive + ambient + diffuse + specular,
1.0);
return sCol;
}
ENDCG
}
}
}
这里我来着重解释一下cg代码中可能导致小伙伴们看不懂的地方。
一.properties定义字段讲解。
我依次将放射颜色（_EmissiveColor），环境光颜色（_AmbientColor），材质环境反射系数（_AmbientFactor），场景光源颜色（_LightColor），漫反射系数（_DiffuseFactor），镜面反射系数（_SpecularFactor），镜面反射强度指数（_SpecShininess）人为定义完毕。
这里需要特别注意的是，我将系数都定义为了Color的float4类型，这是为什么呢？这些系数难道不应该是一个float类型么？
其实是这样考虑的我们获取颜色rgb（float3）*系数（float4或者float）后分两种情况：
①.rgb（float3） * 系数（float4）.xyz这种乘法得到的结果是float3（rgb.x*系数.x，rgb.x*系数.y，rgb.x*系数.z）
②.rgb（float3） * 系数（float） = float3(rgb.x*系数，rgb.x*系数，rgb.x*系数)
第一种细节更加丰富，因为rgb颜色的每个分量分别乘上了不同的系数分量值，并不像第二种一样分量的系数不变，第二种就类似于一个等比例系数，太固定死板了。
二.vert顶点函数讲解
vert顶点函数中的输入参数app2vert结构体，这个就是UnityCG.cginc文件中提供的unitybuildin字段，我们可以直接定义成输入参数结构体拿来用，这些都是unity帮我计算储存好的，此时我就使用了vertex顶点坐标和normal顶点法向量（当然注意，这是最原始的数据）
随后，在顶点函数中，我依次用矩阵处理了
①.UNITY_MATRIX_MVP去处理顶点变换到裁剪空间
②.UNITY_MATRIX_M去处理法向量到3D模型空间（这个法向量无所谓平移或者不平移，你可以用matrix3x3或者4x4的M矩阵去处理都行）并且单位化它，以便后续使用
③.UNITY_MATRIX_M去处理顶点坐标到3D模型空间坐标，后面也需要用
ps：如果现在还是不懂这些矩阵运算意义的同学，建议从我博客第一篇看起。
三.frag片段函数讲解
frag片段函数就开始我们最关键的光照模型数学计算讲解了。
首先我们准备一些参数，如下：
①.float3 unity_buildin_ambient_light_color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
这个字段是unity buildin定义字段，记录的是当前环境光颜色，可以通过editor - window-lighting-settings中的Environment Lighting手动设置。
②.float3 unity_buildin_world_p2sun_dir = normalize(-WorldSpaceLightDir(float4(vf.worldPos,1)));
现根据unity buildin的获取光线射线朝向向量的函数WorldSpaceLightDir获取光线朝向向量-L，然后p2sun就是将其反过来，就是照射点P到太阳光源的朝向L，同时单位化。
③.float3 unity_buildin_light_color = _LightColor0.rgb;
一目了然，这就是unity buildin的入射光线颜色值
④.float3 unity_buildin_eye2p_dir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - vf.worldPos.xyz);
这个就是计算的观察者眼睛到照射点P的朝向向量，根据场景中camera在3D建模空间xyz坐标-顶点在3D建模空间中xyz坐标。
⑤.float3 h_dir_or_call_VplusL_dir = normalize(unity_buildin_eye2p_dir + unity_buildin_world_p2sun_dir);
计算出H单位向量的值，这个知道吧？就是V+L，这里不懂为何的请返回上一篇看我写的镜面反射数学计算。
接下来就简单了，依次计算出：emissive、ambient、diffuse、specular，然后计算出surfaceColor。
这里基本是相当详细的讲解了cg代码的每一个步骤的作用，我相信小伙伴能看懂，demo我就不放了要分，这个cg代码就是最核心的东西，有兴趣自己动手实现看看。