Shader编程学习笔记（七）—— Surface Shader 1

Surface Shader

　　本小结对Unity的Surface Shader做一个大概的了解。主要了解在Surface Shader当中比较重要的几个部分，分别是:

• SurfaceOutput
• Input
• lighing
• shadow

　　首先查看一下Unity的官方手册中的Writing Surface Shaders，其中描述道：如果要编写一个shader去和光进行交互是比较复杂的，因为光照会有不同的光照类型，不同的阴影选项和不同的渲染路径（包括foward和deferred rendering等），因此shader需要找到处理这些复杂事物的方法。

　　在使用Surface Shader时，它可以自动生成一些代码，比直接去使用低阶的顶点和像素着色器来说要容易许多。但是需要注意的是Surface Shader并不是一种定制的语言，也不是一种神奇的东西，它只不过自动生成了以前必须去手写的代码。Surface Shader还是使用Cg或HLSL语言编写。在前面课程当中，已经初步解到，Surface Shader实际上就是对顶点和像素着色器的一种包装，它让我们不用去关注更多的顶点和片段程序的细节，能够快速地得到想要的着色器。接下来试着编写一些Surface Shader程序。

　　创建一个默认的Surface Shader，如下：

Shader "Lesson/SurfaceShader1" {
    Properties {
        _Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)
        _MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}
        _Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5
        _Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        // Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types
        #pragma surface surf Standard fullforwardshadows

        // Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting
        #pragma target 3.0

        sampler2D _MainTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        half _Glossiness;
        half _Metallic;
        fixed4 _Color;

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {
            // Albedo comes from a texture tinted by color
            fixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;
            o.Albedo = c.rgb;
            // Metallic and smoothness come from slider variables
            o.Metallic = _Metallic;
            o.Smoothness = _Glossiness;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

　　首先来了解一下这个Shader结构。这个Shader在Properties中有四个属性：

• _Color为颜色值。
• _MainTex是主纹理。
• _Glossiness是一个浮点值，用于计算高光的光泽度。
• _Metallic也是一个浮点值，用于计算表现金属的光泽度。 

　　该shader有一个SubShader，但是，在这个SubShader中并没有Pass通道。这里需要注意的是，在Surface Shader当中不需要去编写Pass通道，原因是Surface Shader就是对Vertex & Fragment Shader的一种包装，它能够在自动生成着色器代码，生成的过程不需要我们干预，Pass通道也能自动生成，因此，如果添加了Pass通道，就会出现编译错误。最后，作为ShaderLab的基本结构，该默认的Surface Shader拥有一个FallBack，如果shader中的某一种特性不能够被使用，那么会回滚到Diffuse。

　　接下来重点了解一下SubShader拥有哪些内容。其中“Tags { "RenderType"="Opaque" }”描述的是渲染类型，“Opaque”表示不透明的物体；“LOD 200”是指层级细节；“CGPROGRAM”到“ENDCG”是一个代码块，表示其中使用Cg语法，要真正地学会Surface Shader编程，有必要先学会Cg语言，不过现在可以简单地从Surface Shader的结构出发，基本了解一下Surface Shader的内容。

　　首先“#pragma surface surf Standard fullforwardshadows”是Surface Shader当中比较重要的一部分。“pragma”是一个编译指令，这个编译指令有具体的格式，可以从Unity官方手册中了解一下有关的内容，其格式为：“#pragma surface surfaceFunction lightModel [optionalparams]”。

• 以“#”开头，“surface”关键词表示该shader以Surface Shader格式来编写，Unity引擎在处理这个shader结构的时候，就会自动地进行编译低阶的代码。
• “surfaceFunction”是指surface的函数，在一定条件下可以随便取名，在默认创建的Surface Shader中的"surf"就是函数名，下面也有对应的函数体。
• “lightModel”描述的是光照模型，在默认创建的Surface Shader中使用的是“Standard”，那么这个光照模型实际上也是一个函数，我们可以在Unity（5.0以上）的安装目录上找到一个光照的代码文件"UnityPBSLighting.cginc"，其中的函数“LightingStandard”，其中“Lighting”后的名称是我们真正使用的函数名。
• “[optionalparams]”表示其他的一些选项，默认Surface Shader使用的是“fullforwardshadows”，从字面上理解是关于阴影的一些功能，查看Unity手册可以了解到默认使用的“fullforwardshadows”表示它能够在Forward渲染路径下支持所有的阴影类型，默认的shader仅仅能支持一个方向光的阴影，如要在Forward渲染路径下使用点光源或聚光灯产生的阴影就需要使用该指令。这里需要注意的是，在其上还有一个“addshadow”指令，它的主要功能就是生成一个阴影投射器，在现目前的代码当中也可以直接使用“addshadow”。

　　接下来在工程中实际使用一下这个shader。

　　创建一个材质并使用该shader，然后在场景中创建一个Cube当做地面，在其上创建一个Sphere，并使用我们创建的材质，可以看到球体的检视面板中已经拥有了shder当中编写的四个属性：“Color”是颜色，默认为白色；“Albedo (RGB)”是主纹理，这里先拖放一张贴图；“Smoothness”是平滑度，描述的是高光的强度；“Metallic”表示的是金属质感，调整这个系数可以修改金属质感的强度，金属质感原理就是如果光照射非常光滑的金属物体，有镜面反射的部分光会很集中，形成高亮，没有镜面反射的地方就会很暗淡。效果如图：

　　以上就是对该shader的基本使用。

　　接下来在该shader中，“#pragma target 3.0”表示我们将要对这个着色器使用硬件的“shader model 3.0”的能力，硬件的“shader model”是硬件一个用于着色处理的基础的指令范围和能力，值越高表示能使用越高级的功能，如果没有使用“#pragma target 3.0”这句指令，默认使用的是“shader model 2.0”。

　　“sampler2D”是一个二维纹理，这里表示该shader的主纹理参数。

 struct Input {
   float2 uv_MainTex;
 };

　　之后的Input结构体，用于描述纹理的uv坐标，查看Unity文档，在"Surface Shader input structure"目录中，关于这个纹理坐标，必须以“uv”或“uv2”开头，使用“uv”表示用第一套uv坐标集合，用“uv2”表示第二套uv坐标集合。因此，如果在Properties中使用类似"_MainTex"纹理属性，就需要在SubShader中的一个输入结构体当中必须以“uv”开头的变量，否则就得不到该纹理采样值。

　　除了Input结构体之外，在CGPROGRAM要对Properties中的属性做对应的声明。两者的类型不一样，“2D”对应“sampler2D”，“Range”对应“half”，“Color”对应“fixed4”。