Unity3D Shader 入门

转载注明出处:点击打开链接

Shader(着色器)是一段能够针对3D对象进行操作、并被GPU所执行的程序。Shader并不是一个统一的标准,不同的图形接口的Shader并不相同。OpenGL的着色语言是GLSL, NVidia开发了Cg,而微软的Direct3D使用高级着色器语言(HLSL)。而Unity的Shader 是将传统的图形接口的Shader(由 Cg / HLSL编写)嵌入到独有的描述性结构中而形成的一种代码生成框架,最终会自动生成各硬件平台自己的Shader,从而实现跨平台。

Shader程序结构

属性定义(Property Definition):定义Shader的输入,这些输入可以在材质编辑的时候指定

子着色器(SubShader):一个Shader可以有多个子着色器。这些子着色器互不相干且只有一个会在最终的平台运行。编写多个的目的是解决兼容性问题。Unity会自己选择兼容终端平台的Shader运行。

回滚(Fallback):如果子着色器在终端平台上都无法运行,那么使用Fallback指定的备用Shader,俗称备胎。

Pass:一个Pass就是一次绘制。对于表面着色器,只能有一个Pass,所以不存在Pass节。顶点片段着色器可以有多个Pass。多次Pass可以实现很多特殊效果,例如当人物被环境遮挡时还可以看到人物轮廓就可以用多Pass来实现。

Cg代码:每个Pass中都可以包含自定义的Cg代码,从CGPROGRAM开始到ENDCG结束。

Shader 输入

Shader的输入有两个来源,一是通过属性定义,一是通过Shader.SetGlobalXXX方法全局设置。
属性定义变量:属性定义中的变量是Shader参数的主要设置方式。 它是随材质变化的,每个使用该Shader的材质都可以在Inspector或者脚本中设置这些参数。这些参数除了在Shader的Properties段中定义外,还需要在Cg中声明方可使用。例如上面表面着色器的例子中我们定义了_MainTex这个类型为2D的属性,还需要在Cg中声明 sampler2D _MainTex。

全局变量:Shader有一组SetGlobalXXX方法,可以对Shader的在Cg中定义而没有在属性中定义的uniform变量进行设置。这个设置是全局的,所有定义了该uniform的Shader都会受到影响。例如我们希望场景随着时间变化而改变颜色,就可以给场景所使用到的Shader设置统一的全局颜色变量,然后在脚本中通过设置该颜色来改变场景的颜色。在角色释放技能时场景变黑也可以使用这个方法。

Unity shader 中允许定义的属性类型有:

关键字
类型
对应Cg类型

Float
浮点数
float
_MyFloat (“My float”, Float) = 0.5

Range
浮点数 (在指定范围内)
float
_MyRange (“My Range”, Range(0.01, 0.5)) = 0.1

Color
浮点四元组
float4
_MyColor (“Some Color”, Color) = (1,1,1,1)

Vector
浮点四元组
float4
_MyVector(“Some Vector”,Vector) = (1,1,1,1)

2D
2的阶数大小的贴图
sampler2D
_MyTexture (“Texture”, 2D) = “white” {}

Rect
非2的阶数大小的贴图
sampler2D
_MyRect(“My Rect”, Rect) = “white” {}

CUBE
CubeMap
samplerCUBE
_MyCubemap (“Cubemap”, CUBE) = “” {}

注:CubeMap 是6张有联系的2D贴图的组合主要用来做反射效果(比如天空盒和动态反射)
SubShader
SubShader中除了Pass,有两个标签值得关注:LOD和Tags

LOD

LOD是 Level of Detail的简写,确切地说是Shader Level of Detail的简写,因为Unity中还有一个模型的LOD概念,这是两个不同的东西。我们这里只介绍Shader中LOD
Shader LOD 就是让我们设置一个数值,这个数值决定了我们能用什么样的Shader。可以通过Shader.maximumLOD或者Shader.globalMaximumLOD 设定允许的最大LOD,当设定的LOD小于SubShader所指定的LOD时,这个SubShader将不可用。通过LOD,我们就可以为某个材质写一组SubShader,指定不同的LOD,LOD越大则渲染效果越好,当然对硬件的要求也可能越高,然后根据不同的终端硬件配置来设置 globalMaximumLOD来达到兼顾性能的最佳显示效果。
Unity内建Shader定义了一组LOD的数值,我们在实现自己的Shader的时候可以将其作为参考来设定自己的LOD数值
VertexLit及其系列 = 100
Decal, Reflective VertexLit = 150
Diffuse = 200
Diffuse Detail, Reflective Bumped Unlit, Reflective Bumped VertexLit = 250
Bumped, Specular = 300
Bumped Specular = 400
Parallax = 500
Parallax Specular = 600

Tag

SubShader可以被若干的标签(tags)所修饰,而硬件将通过判定这些标签来决定什么时候调用该着色器。 比较常见的标签有:
Queue 这个标签很重要,它定义了一个整数,决定了Shader的渲染的次序,数字越小就越早被渲染,早渲染就意味着可能被后面渲染的东西覆盖掉看不见。 预定义的Queue有:

名字

描述

Background
1000
最早被调用的渲染,用来渲染天空盒或者背景

Geometry
2000
这是默认值,用来渲染非透明物体(普通情况下,场景中的绝大多数物体应该是非透明的)

AlphaTest
2450
用来渲染经过Alpha Test的像素,单独为AlphaTest设定一个Queue是出于对效率的考虑

Transparent
3000
以从后往前的顺序渲染透明物体

Overlay
4000
用来渲染叠加的效果,是渲染的最后阶段(比如镜头光晕等特效)

RenderType “Opaque”或”Transparent”是两个常用的RenderType。如果输出中都是非透明物体,那写在Opaque里;如果想渲染透明或者半透明的像素,那应该写在Transparent中。这个Tag主要用ShaderReplacement,一般情况下这Tag好像也没什么作用。

CommonState
SubShader中可以定义一组Render State,基本上就是一些渲染的开关选项,他们对该SubShader的所有的Pass都有效,所以称Common。这些Render State也可以在每个Pass中分别定义,将在Pass中详细介绍。
Pass
Render State
Render State主要就是控制渲染过程的一些开关选项,例如是否开启alpha blending ,是否开启depth testing。 常用的Render State有:
Cull 用法:Cull Back | Front | Off 多边形表面剔除开关。Back表示背面剔除,Front表示正面剔除,Off表示关闭表面剔除即双面渲染。有时候如裙摆,飘带之类很薄的东西在建模时会做成一个面片,这就需要设置Cull Off来双面渲染,否则背面会是黑色。

ZWrite 用法:ZWrite On | Off 控制当前对象的像素是否写入深度缓冲区(depth buffer),默认是开启的。一般来说绘制不透明物体的话ZWrite开启,绘制透明或半透明物体则ZWrite关闭。 深度缓冲区:当图形处理卡渲染物体的时候,每一个所生成的像素的深度(即 z 坐标)就保存在一个缓冲区中。这个缓冲区叫作 z 缓冲区或者深度缓冲区,这个缓冲区通常组织成一个保存每个屏幕像素深度的 x-y 二维数组。如果场景中的另外一个物体也在同一个像素生成渲染结果,那么图形处理卡就会比较二者的深度,并且保留距离观察者较近的物体。然后这个所保留的物体点深度保存到深度缓冲区中。最后,图形卡就可以根据深度缓冲区正确地生成通常的深度感知效果:较近的物体遮挡较远的物体。 理解了深度缓冲区也就理解了为什么绘制透明或半透明物体需要关闭ZWrite, 如果不关闭,透明物体的depth也会被写入深度缓冲区,从而会剔除掉它后面的物体,后面的物体就不会被渲染,看不见后面的物体还能叫透明吗?因此我们使用Alpha blending的时候需要设置ZWrite Off。

ZTest 用法:ZTest (Less | Greater | LEqual | GEqual | Equal | NotEqual | Always) 控制如何进行深度测试,也就是上面说的图形处理卡比较二者的深度的比较方法。默认是LEqual。 值得一提的是使用Aplha blending的时候ZWrite需要关闭但是ZTest是要开启的,因为如果透明物体前面还有不透明物体,透明物体还是应该被遮挡剔除的。

Blend 混合。控制了每个Shader的输出如何和屏幕上已有的颜色混合。 用法: Blend Off: 关闭混合 Blend SrcFactor DstFactor:最终颜色 = Shader产生的颜色 × SrcFactor + 屏幕上原来的颜色 × DstFactor Blend SrcFactor DstFactor, SrcFactorA DstFactor:和上面一样,只是Alpha通道使用后面两个参数计算 常用的Blend模式有: Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha // Alpha blending Blend One One // Additive Blend OneMinusDstColor One // Soft Additive Blend DstColor Zero // Multiplicative Blend DstColor SrcColor // 2x Multiplicative
Unity5开始下列固定功能的Shader命令被标记为过时了,这些命令的功能现在建议在Shader(Cg)中通过代码来实现,这里列出是为了方便阅读以前写的Shader:

Lighting On | Off
Material { Material Block }
SeparateSpecular On | Off
Color Color-value
ColorMaterial AmbientAndDiffuse | Emission
Fog { Fog Block }
AlphaTest (Less | Greater | LEqual | GEqual | Equal | NotEqual | Always) CutoffValue
SetTexture textureProperty { combine options }

Surface Shader

Surface Shader 隐藏了很多光照处理的细节,它的设计初衷是为了让用户仅仅使用一些指令(#pragma)就可以完成很多事情,并且封装了很多常用的光照模型和函数。相比底层的Vertex And Fragment Shader,Suface Shader的限制比较多,它只能有一次Pass。如果做一些常规的功能又需要光照,可以用Surface Shader写,比较快速便捷。如果要写比较高级的Shader还是建议使用Vertex Shader 和 Fragment Shader。 Surface Shader主要有两部分组成,一个是#pragma后面的指令,一个是surf函数。 pragma的语法是 #pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]

  • surfaceFunction 通常就是名为surf的函数, 函数名可以自己取 surf函数原型是:void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
  • lightModel是Unity内置的光照模型,可以是Lambert,Blinn-Phong等。 - optionalparams: 包含很多指令
    surf函数主要有一个Input结构的输入和SurfaceOutput结构的输出。
    Input
    Input 结构需要在Shader中定义。它可以包含如下字段, 如果你定义了这些字段就可以在surf函数中使用它们(好神奇的黑科技)
    多个贴图的uv坐标,名字必须符合格式uv+贴图名。例如 float2 uv_MainTex

float3 viewDir - 视图方向( view direction)值。为了计算视差效果(Parallax effects),边缘光照(rim lighting)等,需要包含视图方向( view direction)值。
float4 with COLOR semantic - 每个顶点(per-vertex)颜色的插值。
float4 screenPos - 屏幕空间中的位置。 为了反射效果,需要包含屏幕空间中的位置信息。比如在Dark Unity中所使用的 WetStreet着色器。
float3 worldPos - 世界空间中的位置。
float3 worldRefl - 世界空间中的反射向量。如果表面着色器(surface shader)不写入法线(o.Normal)参数,将包含这个参数。 请参考这个例子:Reflect-Diffuse 着色器。
float3 worldNormal - 世界空间中的法线向量(normal vector)。如果表面着色器(surface shader)不写入法线(o.Normal)参数,将包含这个参数。
float3 worldRefl; INTERNAL_DATA - 世界空间中的反射向量。如果表面着色器(surface shader)不写入法线(o.Normal)参数,将包含这个参数。
float3 worldNormal; INTERNAL_DATA -世界空间中的法线向量(normal vector)。如果表面着色器(surface shader)不写入法线(o.Normal)参数,将包含这个参数。

SurfaceOutput

SurfaceOutput 描述了表面的特性(光照的颜色反射率、法线、散射、镜面等),这个结构是固定的,不需要在Shader中再定义。
struct SurfaceOutput { half3 Albedo; //反射率,一般就是在光照之前的原始颜色 half3 Normal; //法线 half3 Emission; //自发光,用于增强物体自身的亮度,使之看起来好像可以自己发光 half Specular; //镜面 half Gloss; //光泽 half Alpha; //透明 };

Unity5 由于引入了基于物理的光照模型,所以新增加了两个Output
struct SurfaceOutputStandard { fixed3 Albedo; // base (diffuse or specular) color fixed3 Normal; // tangent space normal, if written half3 Emission; half Metallic; // 0=non-metal, 1=metal half Smoothness; // 0=rough, 1=smooth half Occlusion; // occlusion (default 1) fixed Alpha; // alpha for transparencies }; struct SurfaceOutputStandardSpecular { fixed3 Albedo; // diffuse color fixed3 Specular; // specular color fixed3 Normal; // tangent space normal, if written half3 Emission; half Smoothness; // 0=rough, 1=smooth half Occlusion; // occlusion (default 1) fixed Alpha; // alpha for transparencies };

Unity提供了一些基本的SurfaceShader的例子,有助于我们理解输入输出是如何被使用的。 Unity提供的SurfaceShader的例子
Vertex Shader
如果不想使用Surface Shader而直接编写opengl和Direct3D中常见的顶点着色器和片段着色器,可以通过Cg代码段嵌入到Pass中:
Pass { // ... the usual pass state setup ... CGPROGRAM // compilation directives for this snippet, e.g.: #pragma vertex vert #pragma fragment frag // the Cg/HLSL code itself ENDCG // ... the rest of pass setup ... }

其中vert就是顶点着色器函数,frag就是片段着色器函数。一般来说,可以在顶点着色器中进行的计算就不应该放到片段着色器中去算,因为顶点着色器是逐顶点计算的而片段着色器是逐像素计算的,一个模型顶点总比表明像素少很多吧。
编写顶点和片段着色器一般需要包含Unity预定义的一个帮助文件UnityCG.cginc,里面预定义了一些常用的结构和方法。Windows版Unity这个文件位于({unity install path}/Data/CGIncludes/UnityCG.cginc
。 Mac版位于/Applications/Unity/Unity.app/Contents/CGIncludes/UnityCG.cginc

在代码中我们只需要添加 #include "UnityCG.cginc"
就可以使用里面的结构和方法。
Input
顶点着色器的原型是 v2f vert (appdata v) appdata 是输入,可以自己定义也可以使用Unity预定义的。Unity在UnityCG.cginc预定义了三种常用的输入结构:appdata_base,appdata_tan,appdata_full。
struct appdata_base { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; float4 texcoord : TEXCOORD0; }; struct appdata_tan { float4 vertex : POSITION; float4 tangent : TANGENT; float3 normal : NORMAL; float4 texcoord : TEXCOORD0; }; struct appdata_full { float4 vertex : POSITION; float4 tangent : TANGENT; float3 normal : NORMAL; float4 texcoord : TEXCOORD0; float4 texcoord1 : TEXCOORD1; float4 texcoord2 : TEXCOORD2; float4 texcoord3 : TEXCOORD3; #if defined(SHADER_API_XBOX360) half4 texcoord4 : TEXCOORD4; half4 texcoord5 : TEXCOORD5; #endif fixed4 color : COLOR; };

我们注意到这些结构的字段和表面着色器中的字段不同,后面多了一个冒号和一个标签。这是该字段的语义,用于告诉GPU这个字段的数据应该去哪里读写。GPU毕竟是为了图形计算而特别设计的东西,很多东西都是固定的,我们只要记得有这么几个名字可以用行了。
类型
名字
标签
备注

float4
vertex
POSITION
顶点在模型坐标系下的位置

float3
normal
NORMAL
顶点的法向量

float4
tangent
TANGENT
顶点的切向量

float4
color
COLOR
顶点色

float4
texcoord
TEXCOORD0
顶点的第一个uv坐标

float4
texcoord1
TEXCOORD1
顶点的第二个uv坐标,最多可以到5

Output
顶点着色器的输出是也是一个可以自己定义的结构,但是结构内容也是比较固定的,一般包含了顶点投影后的位置,uv,顶点色等,也可以加一些后面片段着色器需要用到但是需要在顶点着色器中计算的值。这个输出就是后面片段着色器的输入。
struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; half2 uv : TEXCOORD0; };

可以使用的字段有:
类型
标签
描述

float4
SV_POSITION
顶点在投影空间下的位置,注意和输入的模型坐标系下的位置不同,这个字段必必须设置,这个坐标转换是顶点着色器的重要工作

float3
NORMAL
顶点在视图坐标系下的法向量

float4
TEXCOORD0
第一张贴图的uv坐标

float4
TEXCOORD1
第二张贴图的uv坐标

float4
TANGENT
切向量,主要用来修正法线贴图Normal Maps

fixed4
COLOR
第一个定点色

fixed4
COLOR1
第二个定点色

Any
Any
其他自定义的字段

坐标变换

顶点着色器有一项重要的工作就是进行坐标变换。顶点着色器的输入中的坐标是模型坐标系(ObjectSpace)下的坐标,而最终绘制到屏幕上的是投影坐标。 在我们Shader里面只需要一句话就可以完成坐标的转换,这也是最简单的顶点着色器:
v2f vert(appdata v) { v2f o; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); return o; }

用UNITY_MATRIX_MVP矩阵乘以顶点在模型坐标系下的坐标就得到投影坐标。 UNITY_MATRIX_MVP是Unity内建的模型->视->投影矩阵, Unity内建矩阵如下:
UNITY_MATRIX_MVP:当前模型->视图->投影矩阵。(注:模型矩阵为 本地->世界)
UNITY_MATRIX_MV:当前模型->视图矩阵
UNITY_MATRIX_V:当前视图矩阵
UNITY_MATRIX_P:当前投影矩阵
UNITY_MATRIX_VP:当前视图->投影矩阵
UNITY_MATRIX_T_MV:转置模型->视图矩阵
UNITY_MATRIX_IT_MV:逆转置模型->视矩阵, 用于将法线从ObjectSpace旋转到WorldSpace。为什么法线变化不能和位置变换一样用UNITY_MATRIX_MV呢?一是因为法线是3维的向量而- UNITY_MATRIX_MV是一个4x4矩阵,二是因为法线是向量,我们只希望对它旋转,但是在进行空间变换的时候,如果发生非等比缩放,方向会发生偏移。
UNITY_MATRIX_TEXTURE0 to UNITY_MATRIX_TEXTURE3:纹理变换矩阵

下面简单介绍一下里面提到的几个坐标系: 模型坐标系:也叫物体坐标系,3D建模的时候每个模型都是在自己的坐标系下建立的,如果一个人物模型脚底是(0,0,0) 点的话它的身上其它点的坐标都是相对脚底这个原点的。 世界坐标系:我们场景是一个世界,有自己的原点,模型放置到场景中后模型上的每个顶点就有了一个新的世界坐标。这个坐标可以通过模型矩阵×模型上顶点的模型坐标得到。 视图坐标系:又叫观察坐标系,是以观察者(相机)为原点的坐标系。场景中的物体只有被相机观察到才会绘制到屏幕上,相机可以设置视口大小和裁剪平面来控制可视范围,这些都是相对相机来说的,所以需要把世界坐标转换到视图坐标系来方便处理。 投影坐标系:场景是3D的,但是最终绘制到屏幕上是2D,投影坐标系完成这个降维的工作,投影变换后3D的坐标就变成2D的坐标了。投影有平行投影和透视投影两种,可以在Unity的相机上设置。 屏幕坐标系 : 最终绘制到屏幕上的坐标。屏幕的左下角为原点。
除了内建矩阵,Unity还内建了一些辅助函数也可以在顶点着色器里面使用:
float3 WorldSpaceViewDir (float4 v):根据给定的局部空间顶点位置到相机返回世界空间的方向(非规范化的)
float3 ObjSpaceViewDir (float4 v):根据给定的局部空间顶点位置到相机返回局部空间的方向(非规范化的)
float2 ParallaxOffset (half h, half height, half3 viewDir):为视差法线贴图计算UV偏移
fixed Luminance (fixed3 c):将颜色转换为亮度(灰度)
fixed3 DecodeLightmap (fixed4 color):从Unity光照贴图解码颜色(基于平台为RGBM 或dLDR)
float4 EncodeFloatRGBA (float v):为储存低精度的渲染目标,编码[0..1)范围的浮点数到RGBA颜色。
float DecodeFloatRGBA (float4 enc):解码RGBA颜色到float。
float2 EncodeViewNormalStereo (float3 n):编码视图空间法线到在0到1范围的两个数。
float3 DecodeViewNormalStereo (float4 enc4):从enc4.xy解码视图空间法线

Fragment Shader
// TODO

推荐阅读更多精彩内容

  • <转>我也忘了转自哪里,抱歉,感谢原作者 什么是Shader Shader(着色器)是一段能够针对3D对象进行操作...
    星易乾川阅读 1,757评论 1 15
  • 动机自己使用Unity3D也有一段时间了,但是很多时候是流于表面,更多地是把这个引擎简单地用作脚本控制,而对更深入...
    JumboWu阅读 898评论 0 20
  • 关于本系列这是Unity3D Shader入门指南系列的第二篇,本系列面向的对象是新接触Shader开发的Unit...
    JumboWu阅读 624评论 0 1
  • 将法线从物体空间转换到世界空间。 使用方向光。 计算漫反射和镜面高光反射。 实现能量守恒。 使用金属的工作流程。 ...
    LeiLv阅读 1,542评论 0 4
  • 2016.12.26 星期一 21:46 俗话说:万事开头难。尤其是对我这种三分钟热度的人来说,更是难上加难。 ...
    安静唱情歌阅读 41评论 2 4