Unity学习之Shader（Phong与Blinn-Phong）

三、Lesson3

1、关键名称

向量
• nDir：法线方向，点乘操作时简称n； 
• lDir：光照方向，点乘操作时简称l；
• vDir：观察方向，点乘操作时简称v；
• rDir：光反射方向，点乘操作时简称r；
• hDir：半角方向(Halfway)，lDir和vDir的中间角方向，点乘操作时简称h
空间
• OS：ObjectSpace 物体空间，本地空间；
• WS：WorldSpace世界空间；
• VS：ViewSpace 观察空间；
• CS：HomogenousClipSpace 齐次剪裁空间；
• TS：TangentSpace 切线空间；
• TXS：TextureSpace 纹理空间；

2、漫反射与镜面反射

（1）漫反射

特点：向四面八方均匀反射，反射亮度与观察者看的方向无关

主要模型：兰伯特、半兰伯特

涉及向量：nDir、lDir

（2）镜面反射

特点：反射具有明显方向性，观察者的视角决定了反射光线的有无、明暗

主要模型：Phong、Blinn-Phong

涉及向量：nDir、lDir、vDir、rDir、hDir

3、Phong

（1）效果展示

（2）计算方式

Phong=rDir（光反射方向） dot vDir（观察方向）

rDir=Reflect(-lDir,nDir）

（3）实现代码

Shader "AP01/Phong" {
    Properties {
        _MainCol ("颜色", color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
        _SpecularPow ("高光次幂", range(1, 90)) = 30
    }
    SubShader {
        Tags {
            "RenderType"="Opaque"
        }
        Pass {
            Name "FORWARD"
            Tags {
                "LightMode"="ForwardBase"
            }


            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma multi_compile_fwdbase_fullshadows
            #pragma target 3.0
            // 输入参数
            // 修饰字（满足小朋友太多的问好, 想保发量的大家看热闹）
                // uniform  共享于vert,frag
                // attibute 仅用于vert
                // varying  用于vert,frag传数据
            uniform float3 _MainCol;     // RGB够了 float3
            uniform float _SpecularPow;  // 标量 float
            // 输入结构
            struct VertexInput {
                float4 vertex : POSITION;   // 顶点信息 Get✔
                float4 normal : NORMAL;     // 法线信息 Get✔
            };
            // 输出结构
            struct VertexOutput {
                float4 posCS : SV_POSITION;     // 裁剪空间（暂理解为屏幕空间吧）顶点位置
                float4 posWS : TEXCOORD0;       // 世界空间顶点位置
                float3 nDirWS : TEXCOORD1;      // 世界空间法线方向
            };
            // 输入结构>>>顶点Shader>>>输出结构
            VertexOutput vert (VertexInput v) {
                VertexOutput o = (VertexOutput)0;                   // 新建输出结构
                    o.posCS = UnityObjectToClipPos( v.vertex );     // 变换顶点位置 OS>CS
                    o.posWS = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);   // 变换顶点位置 OS>WS
                    o.nDirWS = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  // 变换法线方向 OS>WS
                return o;                                           // 返回输出结构
            }
            // 输出结构>>>像素
            float4 frag(VertexOutput i) : COLOR {
                // 准备向量
                float3 nDir = normalize(i.nDirWS);
                float3 lDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz;
                float3 vDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWS.xyz);
                float3 hDir = normalize(vDir + lDir);
                // 准备点积结果
                float ndotl = dot(nDir, lDir);
                float ndoth = dot(nDir, hDir);
                // 光照模型
                float lambert = max(0.0, ndotl);
                float phong = dot(reflect(-lDir,nDir),vDir);
                // 返回结果
                return phong ;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

4、Blinn-Phong

（1）效果展示

（2）计算方式

Blinn-Phong=nDir dot hDir

hDir：lDir和vDir的中间角方向

（3）实现代码

Shader "AP01/BlinnPhong" {
    Properties {
        _MainCol ("颜色", color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
        _SpecularPow ("高光次幂", range(1, 90)) = 30
    }
    SubShader {
        Tags {
            "RenderType"="Opaque"
        }
        Pass {
            Name "FORWARD"
            Tags {
                "LightMode"="ForwardBase"
            }
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma multi_compile_fwdbase_fullshadows
            #pragma target 3.0
            // 输入参数
            // 修饰字（满足小朋友太多的问好, 想保发量的大家看热闹）
                // uniform  共享于vert,frag
                // attibute 仅用于vert
                // varying  用于vert,frag传数据
            uniform float3 _MainCol;     // RGB够了 float3
            uniform float _SpecularPow;  // 标量 float
            // 输入结构
            struct VertexInput {
                float4 vertex : POSITION;   // 顶点信息 Get✔
                float4 normal : NORMAL;     // 法线信息 Get✔
            };
            // 输出结构
            struct VertexOutput {
                float4 posCS : SV_POSITION;     // 裁剪空间（暂理解为屏幕空间吧）顶点位置
                float4 posWS : TEXCOORD0;       // 世界空间顶点位置
                float3 nDirWS : TEXCOORD1;      // 世界空间法线方向
            };
            // 输入结构>>>顶点Shader>>>输出结构
            VertexOutput vert (VertexInput v) {
                VertexOutput o = (VertexOutput)0;                   // 新建输出结构
                    o.posCS = UnityObjectToClipPos( v.vertex );     // 变换顶点位置 OS>CS
                    o.posWS = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);   // 变换顶点位置 OS>WS
                    o.nDirWS = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  // 变换法线方向 OS>WS
                return o;                                           // 返回输出结构
            }
            // 输出结构>>>像素
            float4 frag(VertexOutput i) : COLOR {
                // 准备向量
                float3 nDir = normalize(i.nDirWS);
                float3 lDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz;
                float3 vDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWS.xyz);
                float3 hDir = normalize(vDir + lDir);
                // 准备点积结果
                float ndotl = dot(nDir, lDir);
                float ndoth = dot(nDir, hDir);
                // 光照模型
                float lambert = max(0.0, ndotl);
                float phong = dot(reflect(-lDir,nDir),vDir);
                float blinnPhong = pow(max(0.0, ndoth), _SpecularPow);
                // 返回结果
                return blinnPhong;
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

5、实践

（1）漫反射+镜面反射+固有色

（i）效果

（ii）实现代码

Shader "AP01/OldSchool" {
    Properties {
        _MainCol ("颜色", color) = (1.0, 1.0, 1.0, 1.0)
        _SpecularPow ("高光次幂", range(1, 90)) = 30
    }
    SubShader {
        Tags {
            "RenderType"="Opaque"
        }
        Pass {
            Name "FORWARD"
            Tags {
                "LightMode"="ForwardBase"
            }


            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc"
            #pragma multi_compile_fwdbase_fullshadows
            #pragma target 3.0
            // 输入参数
            // 修饰字（满足小朋友太多的问好, 想保发量的大家看热闹）
                // uniform  共享于vert,frag
                // attibute 仅用于vert
                // varying  用于vert,frag传数据
            uniform float3 _MainCol;     // RGB够了 float3
            uniform float _SpecularPow;  // 标量 float
            // 输入结构
            struct VertexInput {
                float4 vertex : POSITION;   // 顶点信息 Get✔
                float4 normal : NORMAL;     // 法线信息 Get✔
            };
            // 输出结构
            struct VertexOutput {
                float4 posCS : SV_POSITION;     // 裁剪空间（暂理解为屏幕空间吧）顶点位置
                float4 posWS : TEXCOORD0;       // 世界空间顶点位置
                float3 nDirWS : TEXCOORD1;      // 世界空间法线方向
            };
            // 输入结构>>>顶点Shader>>>输出结构
            VertexOutput vert (VertexInput v) {
                VertexOutput o = (VertexOutput)0;                   // 新建输出结构
                    o.posCS = UnityObjectToClipPos( v.vertex );     // 变换顶点位置 OS>CS
                    o.posWS = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);   // 变换顶点位置 OS>WS
                    o.nDirWS = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  // 变换法线方向 OS>WS
                return o;                                           // 返回输出结构
            }
            // 输出结构>>>像素
            float4 frag(VertexOutput i) : COLOR {
                // 准备向量
                float3 nDir = normalize(i.nDirWS);
                float3 lDir = _WorldSpaceLightPos0.xyz;
                float3 vDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWS.xyz);
                float3 hDir = normalize(vDir + lDir);
                // 准备点积结果
                float ndotl = dot(nDir, lDir);
                float ndoth = dot(nDir, hDir);
                // 光照模型
                float lambert = max(0.0, ndotl);
                float phong = dot(reflect(-lDir,nDir),vDir);
                float blinnPhong = pow(max(0.0, ndoth), _SpecularPow);
                float3 finalRGB = _MainCol * lambert + blinnPhong;
                // 返回结果
                return float4(finalRGB, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Diffuse"
}

（2）结合噪声图，实现类似不锈钢效果

（i）效果

（ii）实现方式