前言
近些年，電子競技行業發展迅速，游戲的品質也是逐年提升。從用戶體驗的角度來講，畫質渲染及畫質特效方面非常重要。任何渲染特效都主要是光影的變幻，從而達到美輪美奐的效果。漫反射是最簡單的光照效果，所有的光照特效都是以漫反射為基礎的。本篇就來詳細介紹，漫反射著色器如何實現。
- 首先我們來看一下什么漫反射
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漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各個方向反射的現象。當一束平行的入射光線射到粗糙的表面時，表面會把光線向著四面八方反射，所以入射線雖然互相平行，由于各點的法線方向不一致，造成反射光線向不同的方向無規則地反射，這種反射稱之為“漫反射”或“漫射”。這種反射的光稱為漫射光。很多物體，如植物、墻壁、衣服等，其表面粗看起來似乎是平滑，但用放大鏡仔細觀察，就會看到其表面是凹凸不平的，所以本來是平行的太陽光被這些表面反射后，彌漫地射向不同方向。
漫反射 -
以簡單人物為例，在Unity中的漫反射是這樣的
人物漫反射
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- 關于漫反射的光照模型，常見的是蘭伯特(Lambert)和半蘭伯特(Half-Lambert)
Lambert的光照公式是(C-light · M-diffuse)max(0,n·I)，
即光照顏色 * 漫反射顏色 * max(0,法向量*光照方向)
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下面以球形2D圖像解析一下原理
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第一步，我們確認公式中的兩個方向向量，注意光照方向是指向光的方向，即入射光向量的逆向量，紅色光照方向，藍色頂點法向量。
光照方向及法向量方向 -
第二步，計算不同頂點兩向量的夾角，我們可以得到面向光的部分角度在0-90度之間，背向光的角度在90-180度之間。
計算不同頂點兩向量的夾角 - 第三步，Lambert漫反射需要的面向光的部分渲染，背向光的地方不渲染，且渲染部分需要做曲線性的遞減。公式中兩個向量做點乘計算，即n · I，點乘公式是|n|*|I|*Conθ，其中θ是兩個向量的夾角，下面先看一下余弦圖。
余弦函數曲線 -
第四步，我們的夾角范圍是0-180度，因此我們裁掉后半部分
0°-180°余弦圖 -
第五步，我們需要0度時顏色最顯眼，到90度逐漸遞減，余弦前半段得到的結果與我們的預期相符，但90度到180度區間內，漫反射不做任何渲染，即純黑色代表陰暗面效果，因此得出下圖。
90°--180°渲染比例為0 -
最終我們在兩向量夾角為0°到90°范圍內按比例渲染，就形成了最終的漫反射效果。
最終比例
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使用Lambert進行漫反射渲染，在Shader中有兩種寫法，一種是逐頂點著色，另一種是逐像素著色。從代碼中我們可以看出，逐頂點是在頂點著色器中進行漫反射計算，而逐像素則在片元著色器中進行漫反射計算，下面來看逐頂點代碼。
//蘭伯特Lambert漫反射（逐頂點） Shader "AlbertShader/VertexDiffuse" { Properties { //漫反射顏色 _DiffuseColor("Color",Color)=(1,1,1,1) } SubShader { Pass { //正向渲染 Tags{ "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM//------------------CG語言開始------------------- //聲明頂點函數 #pragma vertex vert //聲明片段函數 #pragma fragment frag //引入光照函數庫 #include "Lighting.cginc" //定義外部屬性-漫反射顏色 float4 _DiffuseColor; //頂點輸入結構體 struct appdata { //頂點坐標 float4 vertex : POSITION; //頂點法線 float3 normal : NORMAL; }; //頂點輸出結構體 struct v2f { //像素坐標 float4 vertex : SV_POSITION; //臨時變量：顏色 fixed3 color : COLOR; }; //頂點函數實現 v2f vert (appdata v) { //定義頂點輸出結構體對象 v2f o; //頂點坐標轉換到屏幕像素坐標 o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); //獲取環境光 float3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; //將頂點法線轉換到世界空間下，并做歸一化處理 float3 worldNormal = normalize(mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject)); //將光照方向轉換到世界空間下，并做歸一化處理 float3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); //帶入公式運算 fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _DiffuseColor.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLight)); //結合漫反射和環境光 o.color = ambient + diffuse; //返回結果 return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { //將結果返回 return fixed4(i.color,1.0); } ENDCG//------------------CG語言結束------------------- } } } -
下面來看逐像素代碼
//蘭伯特Lambert漫反射（逐像素） Shader "AlbertShader/PixelDiffuse" { Properties { //漫反射顏色 _DiffuseColor("Color",Color)=(1,1,1,1) } SubShader { Pass { //正向渲染 Tags{ "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM//------------------CG語言開始------------------- #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "Lighting.cginc" float4 _DiffuseColor; struct appdata { float4 vertex : POSITION; //頂點法線 float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 vertex : SV_POSITION; //世界空間下的頂點法線 fixed3 worldNormal : TEXCOORD0; }; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); //通過矩陣運算，得到世界空間下的頂點法線 o.worldNormal = mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject); return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { float3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); //使用蘭伯特光照模型公式 fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _DiffuseColor.rgb * saturate(dot(worldNormal,worldLightDir)); fixed3 color = diffuse + ambient; return fixed4(color,1.0); } ENDCG//------------------CG語言結束------------------- } } }
Lambert漫反射效果不錯，但背光的一面全是黑色，若鏡頭在后面照射，則渲染出來的就是一個黑色平面，視覺效果很差，因此，有時我們也常常使用半蘭伯特（Half-Lambert)的光照模型。
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Half-Lambert的公式與Lambert相似，只是人為改動了公式中的渲染比例，半蘭伯特沒有太多的物理證明，可以理解為測試出來的一種實現方式。公式即(C-light · M-diffuse)(α(n·I)+β)，通常情況下α和β的值為0.5。具體代碼如下：
//半蘭伯特HalfLambert漫反射（逐像素） Shader "Hidden/HalfPixelDiffuse" { Properties { _DiffuseColor("Color",Color)=(1,1,1,1) } SubShader { Pass { Tags{ "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "Lighting.cginc" float4 _DiffuseColor; struct appdata { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 vertex : SV_POSITION; //臨時變量：世界法線 fixed3 worldNormal : TEXCOORD0; }; v2f vert (appdata v) { v2f o; o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex); //世界法線 o.worldNormal = mul(v.normal,(float3x3)unity_WorldToObject); return o; } fixed4 frag (v2f i) : SV_Target { //環境光 float3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; //世界法線 fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); //世界入射光 fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); //半蘭伯特漫反射公式 fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _DiffuseColor.rgb * (0.5 * (dot(worldNormal,worldLightDir)) + 0.5); fixed3 color = diffuse + ambient; return fixed4(color,1.0); } ENDCG } } } -
Half-Lambert顯的更透亮一點，背光面也不是全黑的，三種Shader的渲染效果對比如下：
逐頂點Lambert、逐像素Lambert、逐像素Half-Lambert
結束語
漫反射是光影效果的基礎，通過對漫反射底層實現原理，以及對漫反射公式的圖像剖析，大家有沒有更清晰的認識呢？Shader就是如此奇妙，這就是所謂的數學之美、編程之美。想成為邏輯開發和圖形學開發的雙料大師嗎？一起加油吧！??????
