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PS:这是基础攻略的最后一篇，下一个帖子我会转别的，
说下这些帖子的原因，我是全靠自学，不仅没基础，连学习方向都没有，没有老师的教导，我自己的惰性本身也很强，我只能不断的催眠自己，让自己提高，这些帖子就是记录我一路走过来的路，如果最后我成功了，后来的人可以跟着我的步伐，如果我失败了，请绕开我走过的路
看了好多人都说，shader几乎不可能自学成功，我相信这句话，但是我又不甘心这句话，一点一点来，总会到目的地的，也许是死在前进的路上，未来，谁知道呢？我只知道此刻我在努力。
顺便说下我不继续转的原因，下个帖子我看过了，但是东西有些晦涩，我连渲染管线是啥都不知道，没有基础知识，这些都是浮云。前面的帖子大部分的作用是给我以后划一个目标，我学基础，就是为了我前面的这些东西，毕竟我没有老师，有了方向，有些事就好办多了。
下面的转大佬的帖子
【浅墨Unity3D Shader编程】之七 静谧之秋篇: 表面着色器的写法(二)—— 自定义光照模式
本系列文章由@浅墨_毛星云 出品，转载请注明出处。
文章链接：http://blog.csdn.NET/poem_qianmo/article/details/42611531
作者：毛星云（浅墨） 微博：http://weibo.com/u/1723155442 邮箱： happylifemxy@163.com
本文主要讲解了Unity中SurfaceShader的自定义光照模式的写法。
上篇文章中我们已经说到，表面着色器将分为两次讲解，上一篇文章中介绍了表面着色器的基本概念和一些写法，用内置的兰伯特光照模式来进行Surface Shader的书写，而本文将介绍Surface Shader+自定义的光照模式的写法。
OK，言归正传，依然是先来看看本文配套的游戏场景截图。
运行游戏，音乐响起，金黄色的丰收之秋映入眼帘：
远方：
池塘：
参天大树：
小型村落：
风车：
池塘边：
OK，图先就上这么多。文章末尾有更多的运行截图，并提供了源工程的下载。可运行的exe下载在这里：
【可运行的exe游戏场景请点击这里下载试玩】
好的，我们正式开始。
一、一些光照模型的概念讲解
我们知道，光照模型是真实感图形渲染的基础，从 1967 年 Wylie 等人第一次在显示物体的时候加进光照效果后，该领域迅速的发展。而这一节，我们主要看看最常见的漫反射、Lambert和镜面反射、Phong、Blinn-Phong这五种光照模型。
1.1 漫反射
环境光是对光照现像的最简单抽象，因而局限性很大。它仅能描述光线在空间中无方向并均匀散布时的状态。很多情况下，入射光是带有方向的，比如典型的阳光。
如果光照射到比较粗糙的物体表面，如粉笔，由于这些表面从各个方向等强度地反射光，因而从各个视角出发，物体表面呈现相同的亮度，所看到的物体表面某点的明暗程度不随观测者的位置变化的，这种等同地向各个方向散射的现象称为光的漫反射（diffuse reflection）。
简单光照模型模拟物体表面对光的反射作用。光源被假定为点光源，其几何形状为一个点，向周围所有方向上辐射等强度的光，在物体表面产生反射作用。
如图：
1.2 Lambert模型
漫反射光的强度近似地服从于Lambert定律，即漫反射光的光强仅与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比。
由此可以构造出Lambert漫反射模型：
Idiffuse =Id Kd cosθ
Idiffuse表示物体表面某点的漫反射光强
Id为点光源，Kd(0<Kd<1)表示物体表面该点对漫反射光的反射属性
θ是入射光线的方向与物体表面该点处法线N的夹角，或称为入射角(0≤θ≤90°)
入射角为零时，说明光线垂直于物体表面，漫反射光强最大；
90°时光线与物体表面平行，物体接收不到任何光线。
如图：
把环境光模型添加进来，最后，Lambert光照模型可写为：
I= IaKa + Id Kdcosθ= IaKa + Id Kd(L·N)
该模型包含环境光和漫反射光。
1.3 镜面反射
Lambert模型较好地表现了粗糙表面上的光照现象，如石灰粉刷的墙壁、纸张等
但在用于诸如金属材质制成的物体时，则会显得呆板，表现不出光泽，主要原因是该模型没有考虑这些表面的镜面反射效果。
如果光照射到相当光滑的表面，就产生镜面反射（specular reflection），镜面反射的特点是在光滑表面会产生一块称之为高光（high light）的特亮区域 。
镜面反射遵循光的反射定律：反射光与入射光位于表面法向两侧，对理想反射面（如镜面），入射角等于反射角，观察者只能在表面法向的反射方向一侧才能看到反射。
1.4 Phong光照模型
Lambert模型能很好的表示粗糙表面的光照，但不能表现出镜面反射高光。1975年Phong Bui Tong发明的Phong模型，提出了计算镜面高光的经验模型，镜面反射光强与反射光线和视线的夹角a相关：
Ispecular = Ks*Is*(cos a) n
其中Ks为物体表面的高光系数，Is为光强，a是反射光与视线的夹角，n为高光指数，n越大，则表面越光滑，反射光越集中，高光范围越小。如果V表示顶点到视点的单位向量，R表示反射光反向，则cos a可表示为V和R的点积。模型可表示为：
Ispecular = Ks*Is*(V●R) n
反射光放向R可由入射光放向L（顶点指向光源）和物体法向量N求出。
R = (2N●L)N – L
我们重新来看Phong光照的另一种表现形式：
Ispec = IsKscosns α(α∈(0,90o))
Ks为物体表面某点的高亮光系数
ns为物体表面的镜面反射指数，反映了物体表面的光泽程度， ns越大，表示物体越接近于镜面。
只有视线与光源在物体表面的反射光线非常接近时才能看到镜面反射光，此时，镜面反射光将会在反射方向附近形成很亮的光斑，称为高光现象。ns越小，表示物体越粗糙；当ns为零时，镜面反射光便退化为与视点、光源均无关的环境光。
另外，将镜面反射光与环境光、漫反射光叠加起来形成单一光源照射下更为真实的Phong光照模型：
I = Ia Ka+IdKdcosθ+IsKscosns α
θ ：入射角
α ：视线与镜面反射方向的夹角
1.5 Blinn-Phong光照模型
图形学界大牛Jim Blinn对Phong模型进行了改进，提出了Blinn-Phong模型。Blinn-Phong模型与Phong模型的区别是，把dot(V,R)换成了dot(N,H)，其中H为半角向量，位于法线N和光线L的角平分线方向。Blinn-Phong模型可表示为：
Ispecular = Ks*Is* pow(( dot(N,H), n )
其中H = (L + V) / | L+V |，计算H比计算反射向量R更快速。
Unity中，Phong实际上指的就是Blinn-Phong，两者指的同一种内置光照模型。
PS:光照模型部分的内容主要参考为：http://cg.sjtu.edu.cn/
二、关于自定义光照模式(custom lighting model)
在编写表面着色器的时候，我们通常要描述一个表面的属性(反射率颜色，法线，…)、并通过光照模式来计算灯光的相互作用。
通过上篇文章的学习，我们已经知道，Unity中的内置的光照模式有两种， 分别是Lambert (漫反射光diffuse lighting) 和 Blinn-Phong （也就是镜面反射光(高光)，specular lighting)模式。
然而，内置的光照模式自然有其局限性。想要自己做主的话，我们可以自定义光照模式。
也就是使用自定义光照模式( custom lighting model)。
其实说白了，光照模式(lighting model)无外乎是几个Cg/HLSL函数的组合。
内置的 Lambert 和 Blinn-Phong定义在 Lighting.cginc文件中。我们不妨先来人肉一下他们的实现源代码。
windows系统下位于：
…Unity\Editor\Data\CGIncludes\
Mac系统下位于：
/Applications/Unity/Unity.app/Contents/CGIncludes/Lighting.cginc)
Unity内置的 Lambert 和 Blinn-Phong模型的Shader源代码在这里贴出来：
[cpp] view plain copy
- #ifndef LIGHTING_INCLUDED
- #define LIGHTING_INCLUDED
- struct SurfaceOutput {
- fixed3 Albedo;
- fixed3 Normal;
- fixed3 Emission;
- half Specular;
- fixed Gloss;
- fixed Alpha;
- };
- #ifndef USING_DIRECTIONAL_LIGHT
- #if defined (DIRECTIONAL_COOKIE) || defined (DIRECTIONAL)
- #define USING_DIRECTIONAL_LIGHT
- #endif
- #endif
- // NOTE: you would think using half is fine here, but that would make
- // Cg apply some precision emulation, making the constants in the shader
- // much different; and do some other stupidity that actually increases ALU
- // count on d3d9 at least. So we use float.
- //
- // Also, the numbers in many components should be the same, but are changed
- // very slightly in the last digit, to prevent Cg from mis-optimizing
- // the shader (it tried to be super clever at saving one shader constant
- // at expense of gazillion extra scalar moves). Saves about 6 ALU instructions
- // on d3d9 SM2.
- #define UNITY_DIRBASIS \
- const float3x3 unity_DirBasis = float3x3( \
- float3( 0.81649658, 0.0, 0.57735028), \
- float3(-0.40824830, 0.70710679, 0.57735027), \
- float3(-0.40824829, -0.70710678, 0.57735026) \
- );
- inline half3 DirLightmapDiffuse(in half3x3 dirBasis, fixed4 color, fixed4 scale, half3 normal, bool surfFuncWritesNormal, out half3 scalePerBasisVector)
- {
- half3 lm = DecodeLightmap (color);
- // will be compiled out (and so will the texture sample providing the value)
- // if it's not used in the lighting function, like in LightingLambert
- scalePerBasisVector = DecodeLightmap (scale);
- // will be compiled out when surface function does not write into o.Normal
- if (surfFuncWritesNormal)
- {
- half3 normalInRnmBasis = saturate (mul (dirBasis, normal));
- lm *= dot (normalInRnmBasis, scalePerBasisVector);
- }
- return lm;
- }
- fixed4 _LightColor0;
- fixed4 _SpecColor;
- inline fixed4 LightingLambert (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten)
- {
- fixed diff = max (0, dot (s.Normal, lightDir));
- fixed4 c;
- c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (diff * atten * 2);
- c.a = s.Alpha;
- return c;
- }
- inline fixed4 LightingLambert_PrePass (SurfaceOutput s, half4 light)
- {
- fixed4 c;
- c.rgb = s.Albedo * light.rgb;
- c.a = s.Alpha;
- return c;
- }
- inline half4 LightingLambert_DirLightmap (SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, bool surfFuncWritesNormal)
- {
- UNITY_DIRBASIS
- half3 scalePerBasisVector;
- half3 lm = DirLightmapDiffuse (unity_DirBasis, color, scale, s.Normal, surfFuncWritesNormal, scalePerBasisVector);
- return half4(lm, 0);
- }
- // NOTE: some intricacy in shader compiler on some GLES2.0 platforms (iOS) needs 'viewDir' & 'h'
- // to be mediump instead of lowp, otherwise specular highlight becomes too bright.
- inline fixed4 LightingBlinnPhong (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, half3 viewDir, fixed atten)
- {
- half3 h = normalize (lightDir + viewDir);
- fixed diff = max (0, dot (s.Normal, lightDir));
- float nh = max (0, dot (s.Normal, h));
- float spec = pow (nh, s.Specular*128.0) * s.Gloss;
- fixed4 c;
- c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * diff + _LightColor0.rgb * _SpecColor.rgb * spec) * (atten * 2);
- c.a = s.Alpha + _LightColor0.a * _SpecColor.a * spec * atten;
- return c;
- }
- inline fixed4 LightingBlinnPhong_PrePass (SurfaceOutput s, half4 light)
- {
- fixed spec = light.a * s.Gloss;
- fixed4 c;
- c.rgb = (s.Albedo * light.rgb + light.rgb * _SpecColor.rgb * spec);
- c.a = s.Alpha + spec * _SpecColor.a;
- return c;
- }
- inline half4 LightingBlinnPhong_DirLightmap (SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, half3 viewDir, bool surfFuncWritesNormal, out half3 specColor)
- {
- UNITY_DIRBASIS
- half3 scalePerBasisVector;
- half3 lm = DirLightmapDiffuse (unity_DirBasis, color, scale, s.Normal, surfFuncWritesNormal, scalePerBasisVector);
- half3 lightDir = normalize (scalePerBasisVector.x * unity_DirBasis[0] + scalePerBasisVector.y * unity_DirBasis[1] + scalePerBasisVector.z * unity_DirBasis[2]);
- half3 h = normalize (lightDir + viewDir);
- float nh = max (0, dot (s.Normal, h));
- float spec = pow (nh, s.Specular * 128.0);
- // specColor used outside in the forward path, compiled out in prepass
- specColor = lm * _SpecColor.rgb * s.Gloss * spec;
- // spec from the alpha component is used to calculate specular
- // in the Lighting*_Prepass function, it's not used in forward
- return half4(lm, spec);
- }
- #ifdef UNITY_CAN_COMPILE_TESSELLATION
- struct UnityTessellationFactors {
- float edge[3] : SV_TessFactor;
- float inside : SV_InsideTessFactor;
- };
- #endif // UNITY_CAN_COMPILE_TESSELLATION
- #endif
OK，下面让我们一起来看看光照模式应该怎样声明和定义。
三、光照模式的声明方式
在Unity Shaderlab和CG语言中，光照模式是一个以Lighting开头+自定义文字组合在一起的函数。
即，函数名为：
Lighting+ [自定义部分]
比如，一个可行的函数名为：LightingQianMoLightingMode
我们可以在着色器文件(shader file)或导入文件(included files)中的任何一个地方声明此函数。一般情况下，此函数有五种原型可供选择，具体如下。
一般情况下，于以下五种函数原型中选一种，进行实现就行了。
【形式一】
half4 LightingName (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten);
此种形式的函数可以表示在正向渲染路径(forward rendering path)中的光照模式，且此函数不取决于视图方向(view direction)。例如：漫反射(diffuse)。
【形式二】
half4 LightingName (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten);
此种形式的函数可以表示在正向渲染路径(forward rendering path)中使用的光照模式，且此函数包含了视图方向(view direction)。
【形式三】
half4 LightingName_PrePass (SurfaceOutput s, half4 light);
此种形式的函数可以在延时光照路径(deferred lighting path)中使用的。
【形式四】
half4 LightingName_DirLightmap(SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, bool surfFuncWritesNormal);
这种形式也是不依赖于视图方向(view direction)的光照模式。例如：漫反射(diffuse)。
【形式五】
half4 LightingName_DirLightmap(SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, half3 viewDir, bool surfFuncWritesNormal,out half3 specColor);
这是使用的依赖于视图方向(view direction)的光照模式(light model)。
比如，一个光照模式(lighting model)要么使用视图方向(view direction)要么不使用。同样的，如果光照模式(lightingmodel)在延时光照(deferred lighting)中不工作,只要不声明成 _PrePass(第三种形式)，就是行的。
另外，对于形式四和形式五的选择，主要取决于我们的光照模式(light model)是否依赖视图方向(view direction)。需要注意的是，这两个函数将自动处理正向和延时光照路径(forwardand deferred lighting rendering paths)。
PS: Unity在移动平台中暂时不支持延迟光照渲染。
做个总结，在自定义自己的光照模型函数时，根据需要在五种函数原型中选择一种，且：
光照模式的函数名为：Lighting+ [自定义函数名]
pragma声明为： #pragmasurface surf [自定义函数名]
然后就是需要，仿照着其他的光照模式来填充函数体了。
我们举个例子：
[cpp] view plain copy
- #pragma surface surf QianMoLigtingMode
- half4 LightingQianMoLigtingMode (SurfaceOutputs, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten);
OK，光照模式的声明就是这样。光照模式的函数体是其最核心的部分，需要根据具体的光照模式数学公式进行书写，我们将在接下来的写Shader实战中进行学习。
PS:估计这节的概念有些难懂，大家肯定在第一时间不能完全理解，没事，让我们依旧在Shader实战中把状态找回来。
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画板
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