Unity Shader 入门教程：从零开始编写你的第一个 Shader

引言

光照模型是 Shader 编程的核心部分，它决定了物体表面如何与光线交互，从而影响最终的视觉效果。在 Unity 中，常见的光照模型包括 Lambert 漫反射模型、Phong 高光反射模型 和 Blinn-Phong 模型。
本文将详细介绍这些光照模型的原理，并展示如何在 Unity Shader 中实现它们。

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1. Lambert 光照模型

1.1 基本原理

Lambert 光照模型是最基础的漫反射模型，基于 Lambert 余弦定律，模拟光线在粗糙表面的均匀散射效果。其核心公式为：
$$
I = I_0 \cdot \cos(\theta)
$$
其中：

• $I$ 是反射光强度。
• $I_0$ 是入射光强度。
• $\theta$ 是光线入射方向与表面法线方向的夹角。

1.2 Unity Shader 实现

以下是 Lambert 光照模型的实现代码：

Shader "LightModel/LambertShader"
{Properties{_MainTex("Texture", 2D) = "white" {}_Color("Color", Color) = (1,1,1,1)}SubShader{Tags { "RenderType" = "Opaque" }LOD 200Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float4 _Color;v2f vert(appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);  // 顶点变换o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  // 法线变换o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);  // 纹理坐标变换return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);  // 光源方向float3 normal = normalize(i.worldNormal);  // 法线方向float diff = max(dot(normal, lightDir), 0);  // 漫反射强度fixed4 col = tex2D(_MainTex, i.uv) * _Color * diff;  // 最终颜色return col;}ENDCG}}FallBack "Diffuse"
}

Lambert模型实现效果如图：

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2. Phong 光照模型

2.1 基本原理

Phong 光照模型在 Lambert 模型的基础上增加了 高光反射，模拟光线在光滑表面的镜面反射效果。其核心公式为：
$$
I = I_{\text{diffuse}} + I_{\text{specular}}
$$
其中：

• $I_{\text{diffuse}}$ 是漫反射强度（Lambert 模型）。
• $I_{\text{specular}}$ 是高光反射强度，计算公式为：
  $$
  I_{\text{specular}} = I_0 \cdot (\mathbf{R} \cdot \mathbf{V})^n
  $$
• $\mathbf{R}$ 是反射方向。
• $\mathbf{V}$ 是视线方向。
• $n$ 是高光指数，控制高光的集中程度。

2.2 Unity Shader 实现

以下是 Phong 光照模型的实现代码：

Shader "LightModel/PhongShader"
{Properties{_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}_Color("Color", Color) = (1,1,1,1)_SpecularColor("Specular Color", Color) = (1,1,1,1)  // 高光颜色_Gloss("Gloss", Range(1, 256)) = 32   // 高光指数（控制高光集中程度}SubShader{Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 200Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float3 worldPos : TEXCOORD2;    // 世界空间顶点位置float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float4 _Color;float4 _SpecularColor;float _Gloss;v2f vert (appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  // 法线变换o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;  // 顶点变换到世界空间o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);return o;}fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);  // 光源方向float3 normal = normalize(i.worldNormal);              // 法线方向float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.worldPos);  // 视线方向float3 reflectDir = reflect(-lightDir, normal);        // 反射方向float diff = max(dot(normal, lightDir), 0);            // 漫反射强度float spec = pow(max(dot(reflectDir, viewDir), 0), _Gloss);  // 高光强度fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv); // 纹理颜色fixed4 col = texColor * _Color * diff + spec;  // 最终颜色return col;}ENDCG}}
}

Phong模型实现效果如图：

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3. Blinn-Phong 光照模型

3.1 基本原理

Blinn-Phong 模型是 Phong 模型的改进版，通过引入 半角向量 简化了高光反射的计算。其核心公式为：
$$
I = I_{\text{diffuse}} + I_{\text{specular}}
$$
其中：

• $I_{\text{specular}}$ 的计算公式为：
  $$
  I_{\text{specular}} = I_0 \cdot (\mathbf{N} \cdot \mathbf{H})^n
  $$
• $\mathbf{H}$ 是半角向量，计算公式为：
  $$
  \mathbf{H} = \frac{\mathbf{L} + \mathbf{V}}{|\mathbf{L} + \mathbf{V}|}
  $$

# 3.2 Unity Shader 实现

以下是 Blinn-Phong 光照模型的实现代码：

Shader "LightModel/BlinnPhongShader"
{Properties{_MainTex("Texture", 2D) = "white" {}_Color("Color", Color) = (1,1,1,1)_SpecularColor("Specular Color", Color) = (1,1,1,1)  // 高光颜色_Gloss("Gloss", Range(1, 256)) = 32   // 高光指数（控制高光集中程度}SubShader{Tags { "RenderType" = "Opaque" }LOD 200Pass{CGPROGRAM#pragma vertex vert#pragma fragment frag#include "UnityCG.cginc"struct appdata{float4 vertex : POSITION;float3 normal : NORMAL;float2 uv : TEXCOORD0;};struct v2f{float2 uv : TEXCOORD0;float3 worldNormal : TEXCOORD1;float3 worldPos : TEXCOORD2;    // 世界空间顶点位置float4 vertex : SV_POSITION;};sampler2D _MainTex;float4 _MainTex_ST;float4 _Color;float4 _SpecularColor;float _Gloss;v2f vert(appdata v){v2f o;o.vertex = UnityObjectToClipPos(v.vertex);o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);  // 法线变换o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;  // 顶点变换到世界空间o.uv = TRANSFORM_TEX(v.uv, _MainTex);return o;}fixed4 frag(v2f i) : SV_Target{float3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);  // 光源方向float3 normal = normalize(i.worldNormal);              // 法线方向float3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos - i.worldPos);  // 视线方向float3 halfDir = normalize(lightDir + viewDir);        // 半角向量float diff = max(dot(normal, lightDir), 0);            // 漫反射强度float spec = pow(max(dot(normal, halfDir), 0), _Gloss);  // 高光强度fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv); // 纹理颜色fixed4 col = texColor * _Color * diff + spec;  // 最终颜色return col;}ENDCG}}
}

Blinn-Phong模型实现效果如图：

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4. 光照模型的对比与选择

4.1 对比

• Lambert 模型：简单高效，适合粗糙表面，但缺乏高光反射。
• Phong 模型：增加了高光反射，适合光滑表面，但计算量较大。
• Blinn-Phong 模型：高光计算更高效，适合大多数场景。

4.2 选择建议

• 如果需要快速实现基础光照效果，选择 Lambert 模型。
• 如果需要表现光滑表面的高光效果，选择 Phong 模型 或 Blinn-Phong 模型。
• 在性能要求较高的场景中，优先选择 Blinn-Phong 模型。

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