12月 25 2014

Unityシェーダー：LambertShader

Unityで開発したLambertShader．

Lambert反射の成分は，ライトベクトル$\mathbf{L}$と法線ベクトル$\mathbf{N}$が成す角度の関数で表されます．環境光の色$\mathbf{c_a}$，反射率$k_a$，拡散反射の色$\mathbf{c_d}$,拡散反射率$k_d$を合わせた最終的な色$I$の計算式は，
$I = k_a \mathbf{c_a} + k_d (\mathbf{L} \cdot \mathbf{N}) \mathbf{c_d} $のように表すことができます．
以下では，主にピクセルシェーダー上でライティング計算を行い，最終的なシェーディング結果を計算しています．

LambertShader.shader

// Pixel処理でシェーディング計算を行うLambertShader
Shader "Custom/LambertShader" {
	// LambertShaderのパラメータを宣言
	Properties {
		// 環境光の色
		// _Ka: 反射率
		_Ambient ("Ambient Color", Color) = (0.3,0.3,1,1)
		_Ka ("Ka", Range (0.01, 1)) = 0.5

		// 拡散反射の色
		// _Kd: 反射率
		_Diffuse ("Diffuse Color", Color) = (0.3,0.3,1,1)
		_Kd ("Kd", Range (0.01, 1)) = 0.8
	}
	SubShader {
	pass{
		// Unityのライトオブジェクトを使ったLightMode
		Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

		// Cgプログラムを使用する宣言
		// 頂点処理とピクセル処理を行うことを宣言
		CGPROGRAM
		#pragma vertex vert
		#pragma fragment frag

		#include "UnityCG.cginc"

		// Cgプログラムで使う変数
		// Propertiesブロックと対応付ける
		float4 _Ambient;
		float  _Ka;

		float4 _Diffuse;
		float 	_Kd;


		// 頂点からピクセルに転送されるデータ
		struct vertexOutput {
			float4 pos : SV_POSITION; // 座標変換後の位置
			float3 L   : TEXCOORD0; // ライトベクトル
			float3 N   : TEXCOORD1; // 法線ベクトル
		};

		// 頂点毎の処理
		// pos, L, N, RVのデータを計算する．
		vertexOutput vert(appdata_base v) : POSITION
		{
			vertexOutput output;
			// 座標変換後の位置
			output.pos = mul (UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);

			// 法線ベクトル
			float3 N = v.normal;
			output.N = N;

			// ライトベクトル
			output.L = ObjSpaceLightDir(v.vertex);

			return output;
		}

		// ピクセル毎の処理
		// LambertShadingのライティング計算を行う
		float4 frag(vertexOutput input) : COLOR
		{
			// 頂点処理で計算したベクトルデータを正規化して取り出す
			float3 L = normalize( input.L );
			float3 N = normalize( input.N );

			// 環境光成分I_aを計算
			float4 I_a = _Ka * _Ambient;

			// 拡散反射成分I_dを計算
			float LdN = clamp( dot(L, N), 0, 1 );
			float4 I_d = _Kd * LdN * _Diffuse;

			// 足し合わせて最終的な色を計算する
			float4 I = I_a + I_d;

			return I;
		}
		ENDCG
		}
	}
	FallBack "Diffuse"
}

参考文献

[1] Lambertian reflectance - Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Lambertian_reflectance

Unity

Unity, Shader