UnityShader学习笔记-漫反射基础光照模型

1656 words

8 minutes

UnityShader学习笔记-漫反射基础光照模型

2025-06-05

UnityShader

Unity

/

Shader

标准光照模型#

标准光照模型（又称为Phone光照模型）只关心直接光照，即那些直接从光源发射出来照射到物体表面后，经过物体表面的一次反射直接进入相机的光线，即仅考虑光源→物体表面→摄像机的直接光路，忽略光线在环境中的多次反射。进入到相机内的光线可以分为四个部分：

环境光(ambient)
- 环境光用来近似模拟间接光照（即在多个物体之间反射后，进入摄像机的光线）
- 环境光通常为一个全局变量，即场景中所有物体都使用这个环境光
- 在Unity Shader中，使用内置变量 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT能够获取到环境光的颜色
- 计算公式： $c_{ambient}=g_{ambient}$
自发光(emissive)：物体自身发光，不受其他光照影响
漫反射(diffuse)
- 光线从光源照射到模型表面时，模型表面向每个方向散射的辐射量
- 漫反射光照遵循兰伯特定律：反射光线的强度与表面法线(n)和光源方向(l)之间的夹角的余弦值成正比
- 计算公式： $c_{diffuse}=(c_{light}\cdot{m_{diffuse}})\max(0, \vec{n}\cdot{\vec{l}})$
高光反射(specular)：模拟光线在光滑表面的镜面反射（如金属、玻璃），光线仅在特定方向（反射方向）散射

综上，标准光照模型的计算公式为：

c=c_{ambient} + c_{diffuse} + c_{specular}

Note: 在标准光照模型中，自发光通常单独计算，不参与光照公式的叠加

漫反射基础光照模型#

数学模型#

兰伯特定律
$c_{diffuse}=(c_{light}\cdot{m_{diffuse}})\max(0, \vec{n}\cdot{\vec{l}})$
$c_{light}$ ：光源颜色 $m_{diffuse}$ ：材质的漫反射颜色 $\vec{n}$ ：模型表面法向量 $\vec{l}$ ：指向光源的单位向量
漫反射光照强度受法线与光线夹角影响
- 法线正对光源（夹角 = 0°，点积 = 1）时，漫反射最强
- 法线与光源垂直（夹角 = 90°，点积 = 0）时，漫反射为0
- 法线背对光源（点积 < 0）时，直接裁剪为0（背光区域全黑）

逐顶点光照#

原理：在顶点着色器中计算光照，结果通过插值传递到片元，适合低计算成本场景

1
Shader "Custom/DiffuseVertexLevel"
2
{
3
    Properties
4
    {
5
        //材质的漫反射颜色
6
        _Diffuse ("Diffuse Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
7
    }
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9
    SubShader
10
    {
11
        Pass
12
        {
13
            //基础光照通道: 前向渲染
14
            Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
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            CGPROGRAM
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            #pragma vertex vert
19
            #pragma fragment frag
20

21
            #include "Lighting.cginc"
22

23
            //材质的漫反射颜色
24
            fixed4 _Diffuse;
25

26
            struct a2v
27
            {
28
                float4 vertex : POSITION;
29
                float3 normal : NORMAL;
30
            };
31

32
            struct v2f
33
            {
34
                float4 pos : SV_POSITION;
35
                float3 color : COLOR;
36
            };
37

38
            v2f vert(a2v v)
39
            {
40
                v2f o;
41
                //将顶点从模型空间坐标转成裁剪空间坐标
42
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
43

44
                //获取环境光的颜色和强度
45
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
46

47
                //将法向量从世界空间坐标转成模型空间坐标
48
                fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
49
                //获取光源方向
50
                fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
51
                //计算漫反射强度 = max(dot(N, L), 0)
52
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
53

54
                //颜色 = 环境光 + 漫反射
55
                o.color = ambient + diffuse;
56

57
                return o;
58
            }
59

60
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
61
            {
62
                return fixed4(i.color, 1.0);
63
            }
64

65
            ENDCG
66
        }
67
    }
68

69
    FallBack "Diffuse"
70
}

逐顶点光照

逐像素光照#

原理：在片元着色器中对每个像素独立计算光照（先获取像素的法线，再进行光照计算），避免顶点插值带来的精度损失。

1
Shader "Custom/DiffusePixelLevel"
2
{
3
    Properties
4
    {
5
        //材质的漫反射颜色
6
        _Diffuse ("Diffuse Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
7
    }
8

9
    SubShader
10
    {
11
        Pass
12
        {
13
            //基础光照通道: 前向渲染
14
            Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
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16
            CGPROGRAM
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18
            #pragma vertex vert
19
            #pragma fragment frag
20

21
            #include "Lighting.cginc"
22

23
            //材质的漫反射颜色
24
            fixed4 _Diffuse;
25

26
            struct a2v
27
            {
28
                float4 vertex : POSITION;
29
                float3 normal : NORMAL;
30
            };
31

32
            struct v2f
33
            {
34
                float4 pos : SV_POSITION;
35
                float3 worldNormal : TEXCOORD0;
36
            };
37

38
            v2f vert(a2v v)
39
            {
40
                v2f o;
41

42
                //将顶点从模型空间坐标转成裁剪空间坐标
43
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
44
                //最终颜色 = 环境光 + 漫反射
45
                o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
46

47
                return o;
48
            }
49

50
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
51
            {
52
                //获取环境光的颜色和强度
53
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
54

55
                //获取世界坐标系下的法向量
56
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
57

58
                //获取光源方向
59
                fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
60

61
                //计算漫反射强度 = max(dot(N, L), 0)
62
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
63

64
                //颜色 = 环境光 + 漫反射
65
                fixed3 color = ambient + diffuse;
66

67
                return fixed4(color, 1.0);
68
            }
69

70
            ENDCG
71
        }
72
    }
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74
    FallBack "Diffuse"
75
}

逐像素光照

Half Lambert光照#

原理：在标准兰伯特漫反射模型中，当表面背对光源时(即 $\vec{n}\cdot{\vec{l}}$ 点积小于0)，会直接将结果裁剪为0，导致背光区域突然变暗、缺乏自然过渡。为了解决黑影太硬、背光太黑的问题，提出了一种改进型的技术——半兰伯特模型，模型公式如下：

c_{diffuse}=(c_{light}\cdot{m_{diffuse}})\max(\alpha(\vec{n}\cdot{\vec{l}})+\beta)

通过引入两个参数 $\alpha$ 和 $\beta$ 实现对于点积的裁剪，从而实现渐变过渡。
通常情况下，会将 $\alpha$ 和 $\beta$ 都设置为 0.5，实现 $\vec{n}\cdot{\vec{l}}$ 的计算结果从[-1, 1]映射到[0, 1]。

1
Shader "Custom/HalfLambert"
2
{
3
    Properties
4
    {
5
        //材质的漫反射颜色
6
        _Diffuse ("Diffuse Color", Color) = (1, 1, 1, 1)
7
    }
8

9
    SubShader
10
    {
11
        Pass
12
        {
13
            //基础光照通道: 前向渲染
14
            Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
15

16
            CGPROGRAM
17

18
            #pragma vertex vert
19
            #pragma fragment frag
20

21
            #include "Lighting.cginc"
22

23
            //材质的漫反射颜色
24
            fixed4 _Diffuse;
25

26
            struct a2v
27
            {
28
                float4 vertex : POSITION;
29
                float3 normal : NORMAL;
30
            };
31

32
            struct v2f
33
            {
34
                float4 pos : SV_POSITION;
35
                float3 worldNormal : TEXCOORD0;
36
            };
37

38
            v2f vert(a2v v)
39
            {
40
                v2f o;
41

42
                //将顶点从模型空间坐标转成裁剪空间坐标
43
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
44
                //最终颜色 = 环境光 + 漫反射
45
                o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
46

47
                return o;
48
            }
49

50
            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
51
            {
52
                //获取环境光的颜色和强度
53
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
54

55
                //获取世界坐标系下的法向量
56
                fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
57

58
                //获取光源方向
59
                fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
60

61
                //计算漫反射强度 = max(dot(N, L), 0)
62
                fixed halfLambert = dot(worldNormal, worldLightDir) * 0.5 + 0.5;
63
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * halfLambert;
64

65
                //颜色 = 环境光 + 漫反射
66
                fixed3 color = ambient + diffuse;
67

68
                return fixed4(color, 1.0);
69
            }
70

71
            ENDCG
72
        }
73
    }
74

75
    FallBack "Diffuse"
76
}

半兰伯特光照

对比总结#

漫反射光照效果

类型	计算位置	优点	缺点
逐顶点光照	顶点着色器	计算量极小，适合低端设备	光照过渡粗糙，低精度模型锯齿明显
逐像素光照	片元着色器	光照平滑	计算量较大
Half-Lambert光照	片元着色器	能够避免全黑区域，增强暗部细节

常用的内置函数和变量#

变量名	类型	含义
`UnityObjectToClipPos`	函数	将模型空间坐标转换到裁剪空间坐标
`unity_WorldToObject`	`float4x4`	将世界空间的坐标/向量变换到模型空间的矩阵
`_LightColor0`	`fixed4`	当前主光源颜色（RGB）和强度（A）
`_WorldSpaceLightPos0`	`float4`	当前主光源的方向或位置
`UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT`	`fixed4`	环境光颜色