Thinking in Unity3D：材质系统概览

关于《Thinking in Unity3D》

笔者在研究和使用Unity3D的过程中，获得了一些Unity3D方面的信息，同时也感叹Unity3D设计之精妙。不得不说，笔者最近几年的引擎研发工作中，早已习惯性的从Unity3D中寻找解决方案。

Unity3D虽比不上UE那么老练沉稳，气势磅礴。也比不上CE那样炫丽多姿，盛气凌人。但它的发展势如破竹，早已遍地生花！故而在此记录一些自己的心得体会，供大家参详交流。若有欠妥之处，还望各位及时指正。

 

Thinking in Unity3D由一系列文章组成，文章列表地址：http://www.cnblogs.com/geniusalex/p/5321545.html

 

什么是材质？

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材质是一个相对广泛的概念，不同的专业领域有不同的定义。 在此也不一一举例说明了，我们只说在3D游戏引擎中，材质的定义。

材质的本质定义，是指能够描述一个物体的显示外观的一系列数据。它包括几个方面

1、渲染状态

     渲染状态是指早期的setRenderState那一套东西。比如，前后面裁剪，是否开启混合，混合因子等等。

2、着色方式

     着色方式，在固定管线年代，是通过一系列的API进设置。 在可编程管线年代。就对应的是我们的着色器代码。

3、参数

     不管是固定管线还是非固定管线，我们都可以设置一些参数用于着色计算。比如颜色，光源信息等等

4、纹理贴图

     纹理贴图是表现一个物体表现的颜色细节的必不可少的东西。就是一张张图片。

有了上面的这些数据后，我们就可以根据一定的运算规则，将一个几何体的质感显示为我们想要的样子。

 材质、Shader、模型关系图

材质系统的常见需求

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一个工具或者系统的设计不可能是凭空而出的。 一定是根据需求和经验的积累，才形成了我们今天这种“材质系统”的概念。 说到这里，那么我们常见的材质系统需要做到什么样子呢。

一、模板 + 实例

     材质是一个模板，通过对某一个材质进行实例化，指定不同的数据和贴图，就可以让物体表现出不同的显示效果。 和Class + Object的关系很像。

二、多Pass

     有时候，我们为了实现一个绘制效果，靠单次绘制是无法实现的。比如描边效果。 这就要求我们单个物体能够在进行绘制的时候，多次提交材质并绘制。

三、多Technique

     多Technique是指一个材质中，应该包含不只一个实现方案。 这样当我们进行材质更替，或者进行高中低端机适配的时候。 就不会那么麻烦。 同时在数据管理上，也显得更为规范。

四、高中低端机适配

     高中低端机适配是一个很重要的特性，因为玩家的机型不可能是一样的。 在需要保证效率的情况下，我们很多时候需要降低物体渲染的复杂度。在《3D游戏中的画质与效率适配》一文中。笔者也描述过，有两种方案。 一种是通过宏定义，一种是动态切换Technique。

总结下来，就是说一个材质模板文件应该像这样的一个结构

MaterialTemplate
{
     Technique
     {
          Pass{}
          Pass{}
     }
     Technique
     {
          Pass{}
          Pass{}
     }
}

 

Unity3D中的材质系统

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在说到Unity3D中的材质系统的时候，我们先来看一下我们创建一个材质需要做的事情。

一、创建一个Shader并编写出自己想要的效果

二、创建一个Material并将这个Material的Shader指定为自己的材质

三、为这个Material设置参数，赋上贴图等

四、将创建好的Material拖到对象上

我们再来看一个典型的Shader应该具备的内容

Shader "MyShader" { 
    Properties { 
        _MyTexture ("My Texture", 2D) = "white" { } 
        // other properties like colors or vectors go here as well 
    } 
    SubShader {

          LOD 100 
        // here goes the 'meat' of your 
        // - surface shader or 
        // - vertex and program shader or 
        // - fixed function shader

          Pass{}

          Pass{}

    } 
    SubShader {

          LOD 1000 
        // here goes a simpler version of the SubShader 
        // above than can run on older graphics cards

          Pass{}

          Pass{} 
    } 
}

 

我们可以看到。 每一个Shader有多个SubShader，每一个SubShader有多个Pass。 这样看起来和我们前面提到的MaterialTemplate结构几乎一致。

而在Unity3D中。Shader就是材质模版。 Material就是一个材质实例。 每一个Material你可以认为是一个材质实例的序列化存储。

 

Unity3D中的材质LOD

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那对于前面提到的 高中低端机适配。 有两种方法解决。一是通过宏定义，这个并不是Unity3D的推荐方式，且需要Shader编写的相关知识，在这里不作详细讨论。 如果有兴趣的朋友，可以访问括号中的链接（http://docs.unity3d.com/Manual/SL-MultipleProgramVariants.html），以后的文章在涉及Unity3D的Shader编写方面的内容时，再进行讨论。 在此主要讨论Unity3D中通过材质LOD进行画质控制。

在Unity3D的Shader中，可以为每一个SubShader指定一个LOD值，这个LOD值可以通过设置Shader.globalMaximumLOD和Shader.maximumLOD来实现SubShader的切换。所有的SubShader按顺序进行判定，当一个SubShader满足下面两个条件时，才表明可用。

1、SubShaderLOD值小于设定的值。（你可以把LOD看作是开销，开销越大的SubShader指定越高的LOD值）

2、SubShader所有Pass使用到的显卡特性被当前设备支持。

注：Shader API文档地址：http://docs.unity3d.com/ScriptReference/Shader.html

注：Shader LOD文档地址：http://docs.unity3d.com/Manual/SL-ShaderLOD.html

注：Unity3D为每一档的内置Shader都设置了一个默认值，在LOD文档中有

注：如果不指定LOD值，那LOD=infinite 。 你可以当它是一个小于0的值。

注：这个值除了可以自己给以外，还可以在Edit->Project Settings->Quality面板中指定，如下图

 设置面板

Unity3D中的材质替换

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官方文档地址：http://docs.unity3d.com/Manual/SL-ShaderReplacement.html

夜视效果

有时候，我们希望能够进行一些特殊操作。将场景物体的按另一种渲染方式渲染到RT中。 比如，仅渲染物体的深度，把物体渲染成纯白，把物体渲染成红绿热成像模式等等。但是，我们的材质在一开始就指定好了。如果要替换的话，就需要遍历所有对像，为它们重新指定材质。渲染完毕后，再切换回来。Unity3D为我们提供了更直接的方式。Camera.RenderWithShader和Camera.SetReplacementShader。前者是仅作用一次，后者是一直生效，如果想取消设置。 使用Camera.ResetReplacementShader即可。

那么问题来了，我们有时候只想渲染一些特殊的物体。比如，我们想处理除主角以外的内容。 这就需要对主角进行剔除。 那上面两个函数的第二个参数replacementTag就起作用了。如果设置了它，在进行材质替换时，它会和SubShader中的 RenderType的值 进行比对。 比如，我们即将替换的材质如下。

Shader "EffectShader" { 
     SubShader { 
         Tags { "RenderType"="Opaque" } 
         Pass { 
             ... 
         } 
     } 
     SubShader { 
         Tags { "RenderType"="SomethingElse" } 
         Pass { 
             ... 
         } 
     } 
...

}

 

 

如果我们调用了camera.SetReplacementShader (EffectShader, "RenderType");那么，一个物体在被渲染时，会产生以下几种结果。

1、如果物体当前激活的SubShader的RenderType是Opaque，那么将会采用EffectShader的第一个SubShader。

2、如果物体当前激活的SubShader的RenderType是SomethingElse，那么将会采用EffectShader的第二个SubShader。

3、如果物体当前激活的SubShader的RenderType在EffectShader中没有与之对应的项，此物体将会在渲染中被忽略。

4、如果物体当前激活的SubShader没有RenderType这个Tag,此物体将会在渲染中被忽略。

 

结束语

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Unity3D拥有着一个灵活的渲染管线和自由的材质系统。与其它图形引擎不一样的是，Unity3D针对游戏需求所留出来的接口非常好用。

而本文仅仅是对Unity3D的材质系统进行初步的描述。要想完全把Unity3D的材质系统总结出来，不是一两篇文章可以搞定的。Unity3D文档中的 Shader Reference可以作为一个十分不错的开始http://docs.unity3d.com/Manual/SL-Reference.html