入门图形学：光照模型（五）

紧接上一篇：https://blog.csdn.net/yinhun2012/article/details/81061129

之前我们详细的学习了怎么使用unity buildin的标准光照模型，给我们的shader指定这个标准光照模型，然后观察呈现出什么样的效果。

具体做法就是添加一个预编译指令：

#pragma surface surf Standard 就可以为我们的surf函数指定Standard光照模型了

这次我们就来替换这个标准光照模型函数，替换成我们自己去实现的函数，比如这样：

#pragma surface surf YangLightModel 意思就是说给我们的surf函数指定一个名为YangLightModel的光照模型。

在开始写这个shader之前，首先让我们观察Lighting.cginc和UnityPBSLighting.cginc中的代码：

ps：我这里我就不全部贴过来了，只拷一些具有代表性的，如下：

struct SurfaceOutput {
    fixed3 Albedo;
    fixed3 Normal;
    fixed3 Emission;
    half Specular;
    fixed Gloss;
    fixed Alpha;
};

这里我来说明一下，首先就是这个SurfaceOutput的结构体，这个结构体定义了光照模型函数所需要的参数数据（比如反射率、法线、放射等参数），然后就是UnityLight和UnityGI，分别如下（请打开UnityLightingCommon.cginc）：

struct UnityLight
{
    half3 color;
    half3 dir;
    half  ndotl; // Deprecated: Ndotl is now calculated on the fly and is no longer stored. Do not used it.
};

struct UnityIndirect
{
    half3 diffuse;
    half3 specular;
};

struct UnityGI
{
    UnityLight light;
    UnityIndirect indirect;
};

一目了然，UnityLight中包含光线颜色，朝向和ndotl计算好的数值，ndotl的意义我在光照模型（二）讲到了，是计算diffuse所需要的参数，不过unity并不储存这个值了，得由我们自己去计算，UnityGI包含了一个Light结构体和一个Indirect结构体，Indirect中包含了漫反射和镜面反射颜色。

接下来就是这些结构体在光照模型函数中的使用了，如下：


inline fixed4 UnityLambertLight (SurfaceOutput s, UnityLight light)
{
    fixed diff = max (0, dot (s.Normal, light.dir));

    fixed4 c;
    c.rgb = s.Albedo * light.color * diff;
    c.a = s.Alpha;
    return c;
}

inline fixed4 LightingLambert (SurfaceOutput s, UnityGI gi)
{
    fixed4 c;
    c = UnityLambertLight (s, gi.light);

    #ifdef UNITY_LIGHT_FUNCTION_APPLY_INDIRECT
        c.rgb += s.Albedo * gi.indirect.diffuse;
    #endif

    return c;
}

这里展示的是Unity自带的Lambert光照模型，Lambert光照模型接收到来自Unity光照系统计算出的SurfaceOutput和UnityGI结构数据，然后算出基本的diffuse颜色，再加上GI自带的diffuse颜色，然后将最终的颜色rgb值返回给使用这个光照模型的surf函数，比如如下：

#pragma surface surf Lambert 也就是说使用Lambert光照模型的surf表面着色函数

接下来我们需要做的就是按照这个LightingLambert光照模型函数来仿写我们自己的光照模型函数，如下：

Shader "Custom/YangSurfaceShader" {
	Properties {
		_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
		_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
		_Specular("Specular",Range(1,10)) = 5
	}

	SubShader{
		Tags { "RenderType"="Opaque" }
		LOD 200
		
		CGPROGRAM

		#pragma surface surf YangLightModel

		#include "UnityPBSLighting.cginc"
		#include "UnityCG.cginc"
		#include "Lighting.cginc"

		#pragma target 3.0

		sampler2D _MainTex;
		float4 _Color;
		half _Specular;

		struct Input {
			float2 uv_MainTex;
		};

		void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
			fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
			o.Albedo = c.rgb;
			o.Alpha = c.a;
			o.Specular = _Specular;
		}

		inline float4 LightingYangLightModel(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, float atten)
		{
			/*首先计算当前环境光*/
			float3 unity_buildin_ambient_light_color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
			/*然后计算当前场景light的颜色值rgb*/
			float3 unity_buildin_light_color = _LightColor0.rgb;
			/*计算漫反射diffuse颜色*/
			float3 diffuse = s.Albedo * unity_buildin_light_color * max(dot(s.Normal,lightDir),0);
			/*计算光源方向和视线方向的中和向量的单位向量H*/
			float3 h_dir_or_call_VPlusL_dir = normalize(lightDir + viewDir);
			/*计算反射specular颜色*/
			float3 specular = unity_buildin_light_color * pow(max(dot(s.Normal,h_dir_or_call_VPlusL_dir),0),s.Specular);

			/*定义一个颜色合并所有的颜色并返回给使用这个光照模型的surf函数*/
			float4 col;
			col.xyz = diffuse + unity_buildin_ambient_light_color + specular;
			col.w = s.Alpha;	
			return col;	
		}	
		ENDCG
	}
	FallBack "Diffuse"
}

这里我要讲一下这个CG shader具体的含义，如下：

一.Properties字段

相信_MainTex,_Color,_Specular大家应该能一眼看懂，无非就是主纹理贴图，放射颜色值和镜面反射高亮幂参数。

二.surf函数以及Input结构体

从这里开始就让人迷惑了，void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)，这个函数后面的SurfaceOutput参数我们聊过，无非就是让我们自己填充SurfaceOutput这个结构数据，然后提供给光照模型去使用。

那么前面一个Input结构体是什么意思呢？这个其实是Unity SurfaceShader编译surf函数时必须的一个形参结构体，目的就是为了规范化封装储存surf函数计算需要的数据，比如uv_MainTex就储存了主纹理_MainTex采样顶点uv，传递给surf使用（这里要特别提醒的是，unity的shader编译器，已经将Input.uv_MainTex根据字符串匹配绑定为主纹理采样顶点uv的字段，这个名称是不能变的，修改该字符串将得不到编译绑定效果）当然我们可以定义多个变量去储存更多内容，比如如下：

struct Input
{
    float2 uv_MainTex;
    float2 uv_BumpMap;
    float3 viewDir;
};

我们把主纹理，法线贴图，视线方向向量绑定封装进Input，然后给surf函数使用，surf函数利用Input结构数据来计算光照模型需要的数据，比如如下：

fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;

上面代码的意义就是说根据uv_MainTex去计算主纹理_MainTex的采样数据（tex2D为纹理采样函数，cg语法篇章我会讲解），然后将采样后的颜色乘上我们定义的主颜色值，得到最终主颜色值。

三.inline float4 LightingYangLightModel(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, float atten)

首先，这个光照函数为什么要定义成这样呢？

①.首先这个光照函数前面要加上Lighting前缀，这个是Unity shader编译器的规范，为了识别这是一个光照函数，才能进行后续的处理。

②.(SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, float atten)形参列表，除了SurfaceOutput这个我们知道外，其他的形参都是什么意思呢？虽然从形参名称我们能够知道lightDir就是光源方向向量，viewDir就是视线方向向量，atten代表某个衰减值。但是实际上是不是能起到如形参名一样的效果呢？比如lightDir和viewDir就是计算diffuse和specular颜色的关键参数（光照模型二和三中是我们自己计算的，这里直接提供的话就方便很多），我们直接在LightingYangLightModel中使用lightDir和viewDir去计算diffuse和specular，可以看到效果果然如同自己亲自计算这两个向量能达到的效果。也就是说这一系列形参列表的实际传递参数确实如其所命名。

这个到底是为什么呢？还是以标准光照模型为例，如下：

inline half4 LightingStandard (SurfaceOutputStandard s, half3 viewDir, UnityGI gi)
{
    s.Normal = normalize(s.Normal);

    half oneMinusReflectivity;
    half3 specColor;
    s.Albedo = DiffuseAndSpecularFromMetallic (s.Albedo, s.Metallic, /*out*/ specColor, /*out*/ oneMinusReflectivity);

    // shader relies on pre-multiply alpha-blend (_SrcBlend = One, _DstBlend = OneMinusSrcAlpha)
    // this is necessary to handle transparency in physically correct way - only diffuse component gets affected by alpha
    half outputAlpha;
    s.Albedo = PreMultiplyAlpha (s.Albedo, s.Alpha, oneMinusReflectivity, /*out*/ outputAlpha);

    half4 c = UNITY_BRDF_PBS (s.Albedo, specColor, oneMinusReflectivity, s.Smoothness, s.Normal, viewDir, gi.light, gi.indirect);
    c.a = outputAlpha;
    return c;
}

同时我们来打开UnityPBSLighting.cginc和Lighting.cginc这两个文件，可以看到很多各种光照模型的函数定义和形参列表，实际上我们定义的LightingYangLightModel无非就是其中一个重载函数而已，Unity Shader编译器跟我们的重载函数，编译调用时传递相应的数据。

最后LightingYangLightModel中那些计算公式的意义，在光照模型二和三中都有相当详细的讲解，我就不赘述了，只做了简单的注释。

接下来我们看下这个cg shader的具体表现效果，如下图：

以上，就是自定义Surface着色器的通用CG shader写法，cg的语法我会额外开一个分类版块进行详细讲解学习。

入门图形学：光照模型（五）

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