Diffuse Lighting（漫反射光） 不同的材質表面反射光的方式也不同。在鏡面上光的反射角度與入身角度相等。當在一隻貓的眼睛裡看到一束怪異的光芒，這就是光的反射性：這是由於貓的眼睛反射光的方向與光源的照射方向平行，但是方向相反。漫反射表面對光的反射在各個方向上都一樣。
近似計算一個漫反射光，最簡單並且最常用的模型是Lambert’s cosine law（朗伯餘弦定律）。根據Lambert’s cosine law，照射到材質表面的光照亮度，與光源方向向量和面法線的夾角的餘弦成正比。光源向量描述了光的照射方向，法向量確定了表面的朝向。圖6.3說明了這些術語。
圖6.3 An illustration of a surface normal, a light vector, and Lambert’s cosine law.
回想一下第二章，“A 3D/Math Primer”，所討論的向量運算，通過向量的dot product可以得到光源向量與法向量（這兩個向量都是單位向量）夾角的餘弦值。一般的，法向量在3D object載入時由每一個vertex提供（或者通過triangle兩條邊的cross-product計算得出）。
Directional Lights
在3D圖形學中定義了三種常用的光源：directional lights，point lights，spotlights（方向光，點光源，聚光燈）。一個directional light表示距離3D objects無窮遠的光源，也就是說相對於objects沒有座標位置的意義。因此，照射到objects上的光線都是平行的，來自於同一個方向。Directional light的一個很好的例子是太陽光（雖然太陽不是嚴格意義上的無窮遠）。圖6.4描述了direction light的概念。
圖6.4 An illustration of a directional light.
類比一個directional light，只需要簡單的用一個三維向量定義光的方向。也可以像ambient light那樣，包括光的顏色和強度。列表6.2列出了一種diffuse lighting effect的代碼，該effect使用了一種簡單的directional light。本書中講述的十分有限，建議把代碼拷貝到NVIDIA FX Composer中，一步一步的測試該lighting effect。（也可以，從本書的配套網站上下載該代碼）
列表6.2 DiffuseLighting.fx
#include "include\\Common.fxh"/************* Resources *************/cbuffer CBufferPerFrame{float4 AmbientColor : AMBIENT <string UIName = "Ambient Light";string UIWidget = "Color";> = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 0.0f};float4 LightColor : COLOR <string Object = "LightColor0";string UIName = "Light Color";string UIWidget = "Color";> = {1.0f, 1.0f, 1.0f, 1.0f};float3 LightDirection : DIRECTION <string Object = "DirectionalLight0";string UIName = "Light Direction";string Space = "World";> = {0.0f, 0.0f, -1.0f};}cbuffer CBufferPerObject{float4x4 WorldViewProjection : WORLDVIEWPROJECTION < string UIWidget="None"; >;float4x4 World : WORLD < string UIWidget="None"; >;}Texture2D ColorTexture < string ResourceName = "default_color.dds"; string UIName = "Color Texture"; string ResourceType = "2D";>;SamplerState ColorSampler{Filter = MIN_MAG_MIP_LINEAR;AddressU = WRAP;AddressV = WRAP;};RasterizerState DisableCulling{ CullMode = NONE;};/************* Data Structures *************/struct VS_INPUT{ float4 ObjectPosition : POSITION; float2 TextureCoordinate : TEXCOORD;float3 Normal : NORMAL;};struct VS_OUTPUT{ float4 Position : SV_Position; float3 Normal : NORMAL;float2 TextureCoordinate : TEXCOORD0;float3 LightDirection : TEXCOORD1;};/************* Vertex Shader *************/VS_OUTPUT vertex_shader(VS_INPUT IN){VS_OUTPUT OUT = (VS_OUTPUT)0; OUT.Position = mul(IN.ObjectPosition, WorldViewProjection); OUT.TextureCoordinate = get_corrected_texture_coordinate(IN.TextureCoordinate); OUT.Normal = normalize(mul(float4(IN.Normal, 0), World).xyz);OUT.LightDirection = normalize(-LightDirection);return OUT;}/************* Pixel Shader *************/float4 pixel_shader(VS_OUTPUT IN) : SV_Target{float4 OUT = (float4)0;float3 normal = normalize(IN.Normal); float3 lightDirection = normalize(IN.LightDirection);float n_dot_l = dot(lightDirection, normal);float4 color = ColorTexture.Sample(ColorSampler, IN.TextureCoordinate);float3 ambient = AmbientColor.rgb * AmbientColor.a * color.rgb;float3 diffuse = (float3)0;if (n_dot_l > 0){diffuse = LightColor.rgb * LightColor.a * n_dot_l * color.rgb;}OUT.rgb = ambient + diffuse;OUT.a = color.a;return OUT;}/************* Techniques *************/technique10 main10{ pass p0{ SetVertexShader(CompileShader(vs_4_0, vertex_shader()));SetGeometryShader(NULL); SetPixelShader(CompileShader(ps_4_0, pixel_shader())); SetRasterizerState(DisableCulling); }}
Diffuse Lighting Effect Preamble
DiffuseLighting.fx代碼的第一行使用了一種C風格的#include方法，包含了一個標頭檔，該標頭檔中提供了一些通用的函數，用于越來越豐富的effects中。列表6.3列出了標頭檔Common.fxh的內容，標頭檔中帶有_COMMON_FXH宏定義的標頭檔衛士，以及從之前的代碼中轉移過來的FLIP_TEXTURE_Y宏和get_corrected_texture_coordinate()函數。
列表6.3 Common.fxh
#ifndef _COMMON_FXH#define _COMMON_FXH/************* Constants *************/#define FLIP_TEXTURE_Y 1/************* Utility Functions *************/float2 get_corrected_texture_coordinate(float2 textureCoordinate){ #if FLIP_TEXTURE_Y return float2(textureCoordinate.x, 1.0 - textureCoordinate.y); #else return textureCoordinate; #endif}float3 get_vector_color_contribution(float4 light, float3 color){ // Color (.rgb) * Intensity (.a) return light.rgb * light.a * color;}float3 get_scalar_color_contribution(float4 light, float color){ // Color (.rgb) * Intensity (.a) return light.rgb * light.a * color;}#endif /* _COMMON_FXH */
另外需要注意的是兩個新的CBufferPerFrame成員：LightColor和LightDirection。LightColor常量與AmbientColor具有同樣的功能：用於表示directional light的顏色和強度。LightDirection儲存了光源在world space中的方向。這兩個新的shader constants都有對應的Object annotations，表示在NVIDIA FX Composer中可以把該變數與情境中的一個oject綁定。具體地說，就是可以在NVIDIA FX Composer的Render panel中放置光源，並把這些光源與帶有Object annotation的shader constants關聯起來。
最後需要注意的是，在CBufferPerObject中增加的World變數。該變數值與VS_INPUT結構體中新加的Normal成員變數有關。與object的vertices一樣，面的法線儲存在object space中。計算pixel的diffuse color是通過把法線向量與光的方向向量進行dot-product，但由於光源的方向是在world space中，因此法向量也要變換到wrold space中，而World矩陣就是用於這種變換。之所以不能使用組合矩陣World-View-Projection進行變換，是因為該矩陣是變換到homogeneous space而不僅僅是world space。World矩陣有可能包含了scaling變換，而面的法向量必須是一個正常化向量；因此，在變換後必須再進行normalizing（正常化）。
Diffuse Lighting Vertex Shader
接下來，講解VS_OUTPUT結構體的兩個新成員變數：Normal和LightDirection。Normal用於從CPU中傳遞變換後的面法線向量，而LightDirection有點特別，因為有一個shader constant叫LightDirection。LightDirection shader constant是一個global變數，儲存了光源的方向，而VS_OUTPUT中的LightDirection成員表示object表面的光線方向。因此，在vertex shader中對global LightDirection取反，並賦值給對應的輸出成員LightDirection。當然，可以在CPU中計算正確的光線方向，再傳遞到vertex shader中，這樣在vertex shader中就不用進行取反操作。但是在使用NVIDIA FX Composer的情況下，必須這樣做，因為光照的資料都由FX Composer發送到shader中，要想在Render panel中得到正確的預覽效果必須要在shader對光線方向向量進行取反。對LightDirection取反時，還進行了normalize()操作，這是為了保證light direction向量是正常化的，如果可以保證從CPU傳遞過來的資料已經是正常化的，就可以省略normalize()了。
Diffuse Lighting Pixel Shader
儘管與ambient lighting effect有一些相似的地方，但是diffuse lighting pixel shader（見列表6.4）包含了更多新的代碼。
列表6.4 The Pixel Shader from DiffuseLighting.fx
float4 pixel_shader(VS_OUTPUT IN) : SV_Target{float4 OUT = (float4)0;float3 normal = normalize(IN.Normal); float3 lightDirection = normalize(IN.LightDirection);float n_dot_l = dot(lightDirection, normal);float4 color = ColorTexture.Sample(ColorSampler, IN.TextureCoordinate);float3 ambient = AmbientColor.rgb * AmbientColor.a * color.rgb;float3 diffuse = (float3)0;if (n_dot_l > 0){diffuse = LightColor.rgb * LightColor.a * n_dot_l * color.rgb;}OUT.rgb = ambient + diffuse;OUT.a = color.a;return OUT;}
首先，對於textrue sampling和calculation of the ambient引入了兩個局部變數color和ambient。雖然有一點點改進，但與之前的步驟基本一樣；其中的ambient變數被分離出來用於進一步計算最終的pixel color。
接下來介紹輸入參數的成員變數Normal和LightDirection的正常化。傳遞到rasterizer階段的資料是經過插值計算的，而該運算過程會導致向量變成非正常化的。與相應的視覺效果一樣，插值運算導致的差錯是微小的。因此，如果對效能有比較嚴格的要求，只需要簡單地省略這些正常化運算即可。
下一步，把light direction和surface normal向量的dot product結果賦值給局部變數n_dot_l，用於下面計算diffuse color。其中if-statement（if條件陳述式）確保變數n_dot_l的值大於0。如果dot product為負值，表示光源在表面的背面，因此就不需要計算。正確的dot product值應該介於0.0和1.0之間。值為0.0表示光源的方向與表面平行（也就沒有光照效果），值為1.0表示光源方向與表面垂直（能得到最在強度的光照）。而局部變數diffuse的值則由sampled color和directional light color，intensity以及前面計算的dot product相乘得到。
Diffuse Lighting Output
最終的pixel color由局部變數ambient和diffuse相加得到。Alpha通道值直接使用color texture的alpha值。圖6.5是把diffuse lighting effect應用到sphere的結果，同時使用了與圖6.1一樣的Earth texture。可以看到，當sphere的surfaces與光源的距離越遠，顯示的圖片變得越暗。
圖6.5 DiffuseLighting.fx applied to a sphere with the texture of Earth. (Original texture from Reto
Stöckli, NASA Earth Observatory. Additional texturing by Nick Zuccarello, Florida Interactive Entertainment
Academy.)
在圖片的下邊有一個diretional light。NVIDIA FX Composer支援在Render panel中建立ambient，point，spot和directional lights。要添加不同的光源，只需要點擊工具列上對應的按鈕或者在主菜單上點擊Create再選擇對應的選項。要在lighting effect使用directional light，必須把directional light與LightColor和LightDirection shader constant進行綁定。這就是之前說的Object annotations的作用。在Render panel中選中sphere，再在Properties panel中點擊MaterialInstance按鈕（如圖6.6，Properties panel工具列中的第5個按鈕），就可以綁定light。然後選擇directional light作為directionallight0和lightcolor0的綁定對象。把light綁定與shader constants綁定之後，light的任何修改都會立即在Render panel中顯示。例如，旋轉light並觀察sphere的光照地區相對light的方向如何變化。但是，如果只是平移改變light的位置，你會發現沒有影響，因為directional lights沒有真正意義上的座標位置。在Render panel中用於表示directional lights的模型所處的位置，對傳遞到shader effect的資料沒有影響。
Figure 6.6 Material Instance Properties within NVIDIA FX Composer.
在Render panel中選中light，並在Properties panel中開啟Color property的顏色選取器（color picker），就可以修改directional light的color和intensity（強度，使用alpha通道表示）。在圖6.5所示的輸出圖片中，directional light的顏色為純白色，強度為1.0，ambient light的強度為0（等同于禁用了ambient light）。
警告
NVIDIA FX Composer支援自動和手動兩種綁定方式。當自動綁定可用時，NVIDIA FX Composer會盡量把lights與最合適的shader constants綁定。但是，這種方式並不能保證問題成功的。查看material instance properties，並檢查哪些已經綁定了，如果有必要，就手動修改設定。但是要注意的是，一旦recomplile effect，所有手動綁定都會刪除。
