Unity3D Shader 法线与基础光照

前言

前面的文章里，我们已经反复提到"法线"这个词。

比如：

顶点法线外扩做描边
光照方向和法线方向做点乘
法线贴图会改变表面受光表现

那法线到底是什么？

为什么一旦涉及光照，几乎就一定要用到法线？

这一篇，我们从最基础的角度出发，讲清楚：

法线是什么
光照为什么和法线有关
dot 点乘在光照里代表什么
如何写一个最基础的 Lambert 漫反射 Shader

什么是法线（Normal）

法线可以简单理解为：

一个表面"朝向哪里"的方向。

它通常是一个单位向量。

例如一个朝上的平面，它的法线可能是：

c 复制代码

(0, 1, 0)

也就是说，这个面朝向 Y 轴正方向。

为什么法线和光照有关

因为光照最基本的问题就是：

光线打到这个表面时，它到底是正面迎光，还是斜着迎光，还是背光？

而判断这件事，最直接的方法就是：

看表面的法线方向
看光照方向

这两个方向越一致，说明表面越正对光源，通常就越亮。

越偏离，通常就越暗。

dot 点乘为什么这么重要

在 Shader 光照中，最常见的一行代码就是：

c 复制代码

dot(normal, lightDir)

点乘可以理解成：

两个方向有多接近。

它的结果范围大致是：

1：完全同方向
0：互相垂直
-1：完全相反

在光照里通常会写成：

c 复制代码

saturate(dot(normal, lightDir))

意思是：

小于 0 的部分直接压成 0
大于 1 的部分压成 1

这样就得到一个 0~1 的受光强度。

最基础的漫反射思想

最经典的基础光照模型之一，就是 Lambert 漫反射。

它的核心就是：

c 复制代码

diffuse = max(0, dot(N, L))

其中：

N：法线方向（Normal）
L：光照方向（Light Direction）

当表面正对光源时：

dot 接近 1
物体更亮

当表面转到侧面时：

dot 接近 0
物体更暗

这就是最基础的"明暗变化"。

在 Shader 中如何拿到法线

Mesh 顶点输入里，通常这样声明：

c 复制代码

float3 normal : NORMAL;

例如：

c 复制代码

struct appdata
{
    float4 vertex : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
};

这表示从模型数据中读取法线。

但要注意：

这里的法线通常是 对象空间法线。

而做光照时，我们通常更常用 世界空间法线。

因此往往要转换一下：

c 复制代码

float3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

为什么光照计算常用世界空间

因为：

灯光方向通常在世界空间下更容易理解
摄像机位置是世界空间
物体在场景中的朝向变化，也更方便统一计算

只要参与同一次运算的数据都在同一个空间，结果才是可靠的。

一个最基础的 Lambert 光照 Shader

下面写一个最基础的版本：

支持主方向光
包含环境光 + 漫反射
使用法线和光照方向做点乘

c 复制代码

Shader "Custom/SimpleLambert"
{
    Properties
    {
        _Color ("Main Color", Color) = (1,1,1,1)
    }

    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags { "LightMode"="ForwardBase" }

            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #pragma multi_compile_fwdbase
            #include "UnityCG.cginc"
            #include "Lighting.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float3 worldNormal : TEXCOORD0;
            };

            fixed4 _Color;

            v2f vert(appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
                return o;
            }

            fixed4 frag(v2f i) : SV_Target
            {
                fixed3 N = normalize(i.worldNormal);
                fixed3 L = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Color.rgb;
                fixed ndotl = saturate(dot(N, L));
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * ndotl;

                return fixed4(ambient + diffuse, _Color.a);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

代码拆解

1 从模型里读取法线

c 复制代码

float3 normal : NORMAL;

2 把法线转到世界空间

c 复制代码

o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);

3 获取主光方向

c 复制代码

fixed3 L = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

这里我们主要讨论 方向光（Directional Light） 的基础情况。

4 计算漫反射强度

c 复制代码

fixed ndotl = saturate(dot(N, L));

这一步就是核心：

法线越朝向光源 → 值越大
法线越背离光源 → 值越小

5 乘上灯光颜色和材质颜色

c 复制代码

fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Color.rgb * ndotl;

6 加上一点环境光

c 复制代码

fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * _Color.rgb;

如果没有环境光，背光面会黑得太死。

效果会是什么样

这个 Shader 的效果特点是：

朝向光源的一面更亮
背向光源的一面更暗
比纯色 Unlit 更有体积感

这就是最基础的"受光"感觉。

Half-Lambert：让阴影面别那么黑

标准 Lambert 在某些卡通或风格化场景里，会显得阴影过硬。

一个常见改法是：

c 复制代码

float halfLambert = dot(N, L) * 0.5 + 0.5;

再做一次限制：

c 复制代码

halfLambert = saturate(halfLambert);

这样背光面不会一下掉到纯黑，会显得更"柔和"。

很多早期卡通渲染教程都会用这种方法。

法线方向不对会发生什么

如果法线错误，最直接的表现就是：

明暗反了
某些面不该亮却很亮
旋转模型后受光异常

所以当你发现光照不对时，除了看代码，也要怀疑：

模型法线是否正确
空间是否统一
有没有忘记 normalize

为什么几乎总要 `normalize`

因为法线和光照方向参与点乘时，我们通常希望比较的是"方向"，而不是长度。

所以会习惯这样写：

c 复制代码

fixed3 N = normalize(i.worldNormal);
fixed3 L = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

不归一化虽然有时"看起来也能跑"，但结果可能会失真。

常见坑

1 法线和光照方向不在同一个空间

例如：

法线在对象空间
光照方向在世界空间

直接点乘就是错的。

2 忘了归一化

点乘结果会不稳定。

3 以为法线就是顶点位置方向

法线是"表面朝向"，不是顶点坐标。

4 背光面全黑，以为 Shader 写错了

很多时候只是因为你只写了 Lambert，没加环境光。

总结

这一篇最重要的核心只有一句：

基础光照，本质上就是"表面朝向"和"光照方向"的关系。

在 Shader 中最关键的公式就是：

c 复制代码

saturate(dot(N, L))

你可以先记住下面这几个点：

NORMAL 用来接收模型法线
光照计算常用世界空间法线
dot(N, L) 表示受光强度
Lambert 是最基础的漫反射模型
环境光可以避免背光面死黑

后面你继续学：

Blinn-Phong 高光
Fresnel
法线贴图
PBR

其实都是在这个基础上不断往上加东西。

Unity3D Shader 法线与基础光照