[基础] Unity Shader：法向量与光照

在现实世界中，太阳照射在物体的那一面较亮，而物体背朝太阳的那一面较暗，这就是我们要讨论的问题：如何计算一个物体各个表面的阴暗程度。

1. 法向量

法向量（normal vector） 也被称为法线（normal），它是垂直于平面的向量，在游戏中，模型的一个顶点往往会携带额外的信息，顶点法线就是其中之一。

在实时渲染中，我们通常把光源当成一个没有体积的点，用来表示它的方向，那么，我们如何量化光呢？在光学里，我们使用辐照度（irradiance） 来量化光。在计算光照模型时，我们需要知道一个物体表面的辐照度，而物体表面往往是和不垂直的，那么如何计算这样的表面的辐照度呢？

如上图所示，我们可以使用光源方向和表面法线之间的夹角的余弦值来得到。

两个向量之间的一个点积公式如下：

由此公式我们可以得出：

若我们将、规范化，也就是模长变为1，则公式又变成了：

由此可得出，辐照度可通过规范化光源向量和规范化法向量的点积来得到。

接下来，我们将理论真正地应用于Shader中，首先，我们要先规范化法向量和光源向量：

cpp 复制代码

float3 N = normalize(appData.normal); // 规范化法向量
float3 L = normalize(_WorldSpaceLightPos0); // 规范化光源向量

然后通过点积求得辐照度，为了防止点积结果为负值，我们需要将其限制在 $0, 1$ 范围内，Cg提供了 saturate 函数恰恰可以实现这样的功能：

cpp 复制代码

float E = saturate(dot(N, L)); // 辐照度

得到辐照度后，我们就可以用物体颜色乘上辐照度了：

cpp 复制代码

outData.color = _Color.rgb * E; // 物体颜色 × 辐照度

当然，我们也可以让物体表面颜色也受到光照色的影响，不过在此之前要先引入 Lighting.cginc 文件：

cpp 复制代码

outData.color = (_Color * 0.5 + _LightColor0 * 0.5) * E; // 物体颜色混合光照色 × 辐照度

当然，我们也可以在片元着色器最后返回颜色时加上环境色 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT，这样物体表面也将会受到环境色的影响：

cpp 复制代码

return inputData.color + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT;

最终效果如下：