Unity shader实现多光源漫反射以及阴影

1. 引言

Unity Shader是一种用于在Unity游戏引擎中控制材质和光照效果的编程语言。在游戏开发中，实现多光源漫反射和阴影是提高游戏场景真实感的重要技术之一。本文将介绍如何使用Unity Shader实现多光源漫反射和阴影效果。

2. 多光源漫反射

2.1 G-buffer渲染

多光源漫反射的首要任务是获取场景中各个物体表面的信息。在Unity中，可以使用G-buffer渲染技术来实现这一目标。

2.2 基于Phong模型的漫反射计算

多光源漫反射的计算通常基于经典的Phong模型。Phong模型通过计算光线的入射角度、法线方向和观察方向之间的夹角来确定表面的漫反射强度。

fixed3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
float diffuseFactor = max(dot(normalize(viewDir), normalize(reflectDir)), 0.0);
fixed3 diffuseColor = lightColor * diffuseFactor;

上述代码使用Unity Shader中的内置函数reflect计算出反射光线的方向，并使用dot函数计算入射光线和观测方向的夹角。通过乘以光源的颜色和漫反射因子，即可得到物体表面的漫反射颜色。

2.3 多光源的叠加

在实际场景中，可能存在多个光源同时作用于物体表面。为了实现多光源的效果，可以将多个光源的漫反射颜色叠加起来。

fixed3 totalDiffuseColor = fixed3(0, 0, 0);
for (int i = 0; i < lightCount; i++) {
    fixed3 lightDir = normalize(lightPositions[i] - position);
    fixed3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);
    float diffuseFactor = max(dot(normalize(viewDir), normalize(reflectDir)), 0.0);
    fixed3 diffuseColor = lightColors[i] * diffuseFactor;
    totalDiffuseColor += diffuseColor;
}

上述代码中，lightCount表示光源的数量，lightPositions和lightColors分别是光源的位置和颜色数组。通过使用一个循环遍历所有光源，计算每个光源的漫反射颜色，然后将其叠加到totalDiffuseColor变量中。

3. 阴影

3.1 阴影贴图

阴影的实现通常需要使用阴影贴图。阴影贴图是一张纹理，用来存储场景中物体对光源的遮挡信息。

3.2 阴影计算

阴影的计算需要根据阴影贴图来判断物体是否被遮挡。一种常见的方法是使用阴影贴图中的深度值和物体表面的深度值进行比较。

float shadow = 1.0;
float shadowDepth = Linear01Depth(Texture2D(depthTexture, uv));
if (depth < shadowDepth) {
    shadow = 0.0;
}

上述代码中的shadowDepth表示阴影贴图中的深度值，depth表示物体表面的深度值。通过比较两者的大小，如果物体表面的深度值小于阴影贴图中的深度值，则认为物体被遮挡，阴影因子shadow为0。

3.3 多光源的阴影叠加

类似于多光源的漫反射叠加，多光源的阴影效果也可以进行叠加。

fixed3 totalDiffuseColor = fixed3(0, 0, 0);
fixed3 totalShadow = fixed3(1, 1, 1);
for (int i = 0; i < lightCount; i++) {
    fixed3 lightDir = normalize(lightPositions[i] - position);
    float shadow = CalculateShadow(shadowTexture, position, lightDir);
    if (shadow > 0) {
        // 执行多光源的漫反射计算
        totalDiffuseColor += diffuseColor * shadow;
    }
    totalShadow *= 1 - shadow;
}

上述代码中，CalculateShadow函数用于计算阴影因子shadow。通过叠加每个光源的阴影因子，可以得到整个物体表面的阴影效果。

4. 结论

本文介绍了如何使用Unity Shader实现多光源漫反射和阴影效果。通过G-buffer渲染获取物体表面信息，使用Phong模型计算漫反射，叠加多个光源的漫反射和阴影可以提高场景真实感。进一步的优化包括使用更高质量的阴影贴图和使用更复杂的光照模型。