【Unity Shaders】学习笔记——SurfaceShader（十一）光照模型

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1. 如果你想从零开始学习Unity Shader，那么你可以看看本系列的文章入门，你只需要稍微有点编程的概念就可以。

2. 水平有限，难免有谬误之处，望指出。

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LitSphere（Matcap）

发光球体光照模型就是将发光球体的纹理映射在球体上，来实现光照效果。这可以创造一些效果细腻的发光球体效果，但是它不受光照影响，改变光照的方向，球体的光照效果不变。如果要在固定视角的场景里制作细腻的球体光照，这会是一个不错的选择。
准备小球纹理贴图：

1. 定义Properties：

    Properties {  
        _MainTint ("Diffuse Tint", Color) = (1,1,1,1)  
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}  
        _NormalMap ("Normal Map", 2D) = "bump" {}  
    }  

2. 编写预编译命令：

        #pragma surface surf Unlit vertex:vert 
        #pragma target 3.0

3. 在subshader里关联properties：

        float4 _MainTint;  
        sampler2D _MainTex;  
        sampler2D _NormalMap;  

4. 定义光照函数Unlit：

        inline half4 LightingUnlit (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten)  
        {  
            half4 c = half4(1,1,1,1);  
            c.rgb = s.Albedo;  
            c.a = s.Alpha;  
            return c;  
        } 

这是一个无光照的光照函数，因为我们要用纹理上的光照效果，所以不需要计算光照。

5. 定义Input结构体：

        struct Input {  
            float2 uv_MainTex;  
            float2 uv_NormalMap;  
            float3 tan1;  
            float3 tan2;  
        }; 

6. 定义顶点函数：

        void vert (inout appdata_full v, out Input o)   
        {  
            UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input,o);  
            
            TANGENT_SPACE_ROTATION;  
            o.tan1 = mul(rotation, UNITY_MATRIX_IT_MV[0].xyz);  
            o.tan2 = mul(rotation, UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz);  
        } 

解释：
NITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input,o);在HLSLSupport.cginc文件里是这样定义的：

#if defined(UNITY_COMPILER_HLSL) || defined(SHADER_API_PSSL) || defined(SHADER_API_GLES3) || defined(SHADER_API_GLCORE)
#define UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(type,name) name = (type)0;
#else
#define UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(type,name)
#endif

如果是HLSL编译器或某些版本的Shader API，则将变量赋值为0，否则什么都不做。这样编译器就不会报错说变量未初始化。
TANGENT_SPACE_ROTATION;是Unity提供的一个宏，它定义了一个rotation矩阵用于从Object Space变换到Tangent Space。它在UnityCG.cginc里的定义如下：

// Declares 3x3 matrix ‘rotation‘, filled with tangent space basis
#define TANGENT_SPACE_ROTATION \
    float3 binormal = cross( normalize(v.normal), normalize(v.tangent.xyz) ) * v.tangent.w;     float3x3 rotation = float3x3( v.tangent.xyz, binormal, v.normal ));

binormal是切空间的Y轴，tangent是切空间的X轴，normal是切空间的Z轴。为什么它定义了一个切空间旋转看这篇。
UNITY_MATRIX_IT_MV是Object Space（or Model Space）变换到View Space（or Eye Space)的矩阵的逆转置矩阵。View Space以摄像机为原点，摄像机朝向为Z轴。[]是取出矩阵的一列，UNITY_MATRIX_IT_MV[0].xyz是说将向量（1，0，0）（即X轴）左乘MV矩阵的逆转置矩阵。UNITY_MATRIX_IT_MV[1].xyz则是向量(0,1,0)（即Y轴）左乘MV矩阵的逆转置矩阵。
顺便科普一下，OpenGL是列向量，变换矩阵应该左乘向量。如果要将法线从Object Space变换到View Space是不能用MV矩阵的，原因看这篇博文。要将法线从Object Space变换到View Space要用MV矩阵的逆转置矩阵。那么，反过来，如果要将法线从View Space变换到Object Space只要将MV矩阵的逆转置矩阵右乘法线即可。这里的代码可以理解为将View Space的X轴和Y轴变换到了Object Space。变换到了Object Space以后再乘rotation变换到Tangent Space。

7. 最后，编写表面处理函数：

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)   
        {  
            float3 normals = UnpackNormal(tex2D(_NormalMap, IN.uv_NormalMap));  
            o.Normal = normals;  
  
            float2 litSphereUV;  
            litSphereUV.x = dot(IN.tan1, o.Normal);  
            litSphereUV.y = dot(IN.tan2, o.Normal);  
          
            half4 c = tex2D (_MainTex, litSphereUV*0.5+0.5);  
            o.Albedo = c.rgb * _MainTint;  
            o.Alpha = c.a;  
        }  

这部分需要的解释不多。在表面处理函数里将法线和tan1、tan2点乘，相当于是把法线投影到了View Space的X轴和Y轴上。后面就是将法线当作UV来采样。乘0.5加0.5是把区间变到[0,1]。

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LitSphere有点像把我们能看见的小球的那一面当作一层皮扒下来，然后平铺在纹理上，使纹理上的球严丝合缝地投影在了小球上。效果如下：

 

如果我们用纹理本身的UV坐标的话，小球图片是矩形，四周还有黑边，那么采样到小球上会是一个变形的四周有黑边的圆球图案。相当于是把画了个球的纹理贴在球身上。而用法线作UV的话，就把纹理上有球的那部分映射到了我们看得见的球的表面。
我觉得把这理解为把球的表面投影到纹理上更好理解一点。这样要把法线从切空间变换到视空间，每个顶点都要变换，计算量太大，所以换过来，转换到切空间计算会cheap一点。
这个光照模型也叫Matcap(Material Capture)。
这个光照模型只能用于比较圆的物体，比如Sphere和Capsule，Cube是不能用的，因为Cube能看见的法线就只有三个，所以没办法使用这个光照模型。
另一个版本的Matcap