US3S2L3——纹理结合光照模型

单张纹理结合 BlinnPhong 光照模型

如果要让有纹理的模型受到光照影响，就需要让纹理颜色结合光照模型计算出来的颜色，计算出模型显示在屏幕上的最终颜色

体现在 Shader 计算中，有以下的三点注意点：

1. 纹理颜色 需要和 漫反射颜色 进行乘法叠加，它们两共同影响最终的颜色，也就是需要计算反射颜色

   sampler2D _MainTex;        // 贴图纹理对应的映射成员
   fixed4 _MainColor;        // 漫反射颜色
   
   struct v2f
   {
       float4 pos: SV_POSITION;    //裁剪空间下的顶点坐标
       float2 uv: TEXCOORD0;       //纹理UV坐标
       float3 wNormal: NORMAL;     //世界空间下的法线
       float3 wPos: TEXCOORD1;     //世界空间下的顶点坐标
   };
   
   fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
   {
       fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _MainColor.rgb; // 反射率，即纹理颜色和漫反射材质颜色乘法叠加共同决定的颜色
   }

2. 兰伯特光照模型计算时，漫反射材质颜色使用第一步计算出来的颜色计算

   sampler2D _MainTex;        // 贴图纹理对应的映射成员
   fixed4 _MainColor;        // 漫反射颜色
   
   struct v2f
   {
       float4 pos: SV_POSITION;    //裁剪空间下的顶点坐标
       float2 uv: TEXCOORD0;       //纹理UV坐标
       float3 wNormal: NORMAL;     //世界空间下的法线
       float3 wPos: TEXCOORD1;     //世界空间下的顶点坐标
   };
   
   fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
   {
       fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _MainColor.rgb; // 反射率，即纹理颜色和漫反射材质颜色乘法叠加共同决定的颜色
       // 漫反射颜色
       float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);      // 指向光源的方向
       fixed3 lambertColor = _LightColor0.rgb * albedo.rgb * max(0, dot(i.wNormal, lightDir));
   }

3. 最终使用的环境光叠加时，环境光变量 UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT​ 需要和第一步计算出来的颜色进行乘法叠加，为了避免最终的渲染效果偏灰

   sampler2D _MainTex;        // 贴图纹理对应的映射成员
   // 漫反射颜色、高光反射颜色、光泽度
   fixed4 _MainColor;
   fixed4 _SpecularColor;
   float _SpecularNum;
   
   struct v2f
   {
       float4 pos: SV_POSITION;    //裁剪空间下的顶点坐标
       float2 uv: TEXCOORD0;       //纹理UV坐标
       float3 wNormal: NORMAL;     //世界空间下的法线
       float3 wPos: TEXCOORD1;     //世界空间下的顶点坐标
   };
   
   fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
   {
       fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _MainColor.rgb; // 反射率，即纹理颜色和漫反射材质颜色乘法叠加共同决定的颜色
     
       // 漫反射颜色
       float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);      // 指向光源的方向
       fixed3 lambertColor = _LightColor0.rgb * albedo.rgb * max(0, dot(i.wNormal, lightDir));
     
       // 高光反射颜色
       float3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.wPos)); // 视角方向
       float3 halfA = normalize(viewDir + lightDir);               // 半角向量
       fixed3 specularColor = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(max(0, dot(i.wNormal, halfA)), _SpecularNum);
   
       // 最终颜色，环境光需要和乘法叠加反射颜色
       fixed3 color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * albedo + lambertColor + specularColor;
   
       return fixed4(color.rgb, 1);
   }

   效果对比（左图为不叠加 albedo，右图为叠加 albedo）：

   ​​​

其他的计算步骤同 BlinnPhong 的逐片元光照 实现

完整 Shader 代码如下：

Shader "TeachShader/Lesson50"
{
    Properties
    {
        _MainTex("MainTex", 2D) = ""{}                          // 纹理贴图
        _MainColor("MainColor", Color) = (1, 1, 1, 1)           // 漫反射颜色
        _SpecularColor("SpecularColor", Color) = (1, 1, 1, 1)   // 高光反射颜色
        _SpecularNum("SpecularNum", Range(0, 20)) = 15          // 光泽度
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

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

            // 贴图纹理对应的映射成员
            sampler2D _MainTex;
            float4 _MainTex_ST;
            // 漫反射颜色、高光反射颜色、光泽度
            fixed4 _MainColor;
            fixed4 _SpecularColor;
            float _SpecularNum;

            struct v2f
            {
                float4 pos: SV_POSITION;    // 裁剪空间下的顶点坐标
                float2 uv: TEXCOORD0;       // 纹理UV坐标
                float3 wNormal: NORMAL;     // 世界空间下的法线
                float3 wPos: TEXCOORD1;     // 世界空间下的顶点坐标
            };

            v2f vert (appdata_base v)
            {
                v2f data;
                data.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);                  // 将模型空间下的法线转换到世界空间下
                data.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;  // 计算UV
                data.wNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);          // 法线转换到世界空间
                data.wPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex);             // 顶点转换到世界空间

                return data;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed3 albedo = tex2D(_MainTex, i.uv).rgb * _MainColor.rgb; // 反射率，即纹理颜色和漫反射材质颜色乘法叠加共同决定的颜色
              
                // 漫反射颜色
                float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);      // 指向光源的方向
                fixed3 lambertColor = _LightColor0.rgb * albedo.rgb * max(0, dot(i.wNormal, lightDir));
              
                // 高光反射颜色
                float3 viewDir = normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.wPos)); // 视角方向
                float3 halfA = normalize(viewDir + lightDir);               // 半角向量
                fixed3 specularColor = _LightColor0.rgb * _SpecularColor.rgb * pow(max(0, dot(i.wNormal, halfA)), _SpecularNum);

                // 最终颜色 = 环境光 * 反射颜色 + 漫反射颜色 + 高光反射颜色
                fixed3 color = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb * albedo + lambertColor + specularColor;

                return fixed4(color.rgb, 1);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

显示效果（左边是不计算光照效果的 Shader，右边是使用 BlinnPhong 逐片元光照的 Shader）：

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可见，结合了光照模型计算结果的模型能够收到光照的影响，出现背光变暗的效果

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