unity shader 入门
1.一个简单的顶点/片元着色器基本结构
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" { } SubShader { Pass { CGPROGRAM //告诉unity哪个函数包含了顶点着色器的代码 #pragma vertex vert //告诉unity哪个函数包含了片元着色器的代码 #pragma fragment frag //POSITION：告诉unity把模型的顶点坐标填充到v中；SV_POSITION:告诉unity顶点着色器输出的裁剪空间中的顶点坐标 float4 vert(float4 v:POSITION) : SV_POSITION{ return mul(UNITY_MATRIX_MVP,V); } //SV_Target：把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中 fixed4 frag() : SV_Target { return fixed4(1.0,1.0,1.0,1.0); } ENDCG } } }
2.为顶点着色器定义一个新的传入参数，使用结构体
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" { } SubShader { Pass { CGPROGRAM //告诉unity哪个函数包含了顶点着色器的代码 #pragma vertex vert //告诉unity哪个函数包含了片元着色器的代码 #pragma fragment frag //a:应用；v:顶点着色器；a2v：把数据从应用阶段传递到顶点着色器 struct a2v { // POSITION:告诉unity使用模型空间的顶点坐标填充vertex变量 float4 vertex : POSITION; // NORMAL:告诉unity使用模型空间的法线方向填充normal float3 normal : NORMAL; // TEXCOORD：告诉unity使用模型的第一套纹理坐标填充texcoord变量 float texcoord : TEXCOORD; } //POSITION：告诉unity把模型的顶点坐标填充到v中；SV_POSITION:告诉unity顶点着色器输出的裁剪空间中的顶点坐标 float4 vert(a2v v) : SV_POSITION{ return mul(UNITY_MATRIX_MVP,V.tertex); } //SV_Target：把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中 fixed4 frag() : SV_Target { return fixed4(1.0,1.0,1.0,1.0); } ENDCG } } }
POSITION,NORMAL,TEXCOORD中的数据由使用该shader的材质的MeshRender组件提供。在每帧调用Draw Call时，Mesh Render组建会把它负责渲染的模型书记发送给shader。
3。为片元着色器定义一个新的传入参数，使用结构体
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" { } SubShader { Pass { CGPROGRAM //告诉unity哪个函数包含了顶点着色器的代码 #pragma vertex vert //告诉unity哪个函数包含了片元着色器的代码 #pragma fragment frag struct a2v { // POSITION:告诉unity使用模型空间的顶点坐标填充vertex变量 float4 vertex : POSITION; // NORMAL:告诉unity使用模型空间的发现方向填充normal float3 normal : NORMAL; // TEXCOORD：告诉unity使用模型的第一套纹理坐标填充texcoord变量 float texcoord : TEXCOORD; } struct v2f { // SV_POSITION:告诉unity ，pos里包含了顶点在裁剪空间中的位置信息 float4 pos : SV_POSITION; // COLOR:存储颜色信息 fixed3 color : COLOR0; } //POSITION：告诉unity把模型的顶点坐标填充到v中；SV_POSITION:告诉unity顶点着色器输出的裁剪空间中的顶点坐标 v2f vert(a2v v) : SV_POSITION{ //声明输出结果 v2f o; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); //v.normal包含了顶点的法线方向，其分量范围在[-1.0,1.0] //下麦呢的代码把分量范围映射到了[0.0,1.0] //存储到o.color中传递给片元着色器 o.color = v.normal*0.5 + fixed3(0.5, 0.5, 0.5); return o; } //SV_Target：把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中 fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { //将插值后的i.color显示到屏幕上 return fixed4(i.color,1.0); } ENDCG } } }
v2f用于顶点着色器和片元着色器之间传递信息。
4。添加属性，方便在面板上直接控制模型在屏幕上显示的颜色
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" { Properties{ //声明一个Color类型的属性 _Color("Color",Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0) } SubShader{ Pass { CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag //在CG代码中，需要定义一个与属性名称和类型都匹配的变量 fixed4 _Color; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; float texcoord : TEXCOORD; } struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; fixed3 color : COLOR0; } v2f vert(a2v v) : SV_POSITION{ v2f o; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex); o.color = v.normal*0.5 + fixed3(0.5, 0.5, 0.5); return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { fixed3 c = i.color; //使用_Color属性来控制输出颜色 c *= _Color.rgb; return fixed4(c,1.0); } ENDCG } } }
SV代表系统数值，对于有特殊含义的变量最好以SV开头的语义进行修饰。
5.添加内置的包含文件
6.Unity支持的语义
颜色分量中任何大于1的数值将会被这是为1，而任何小于0的数值都会被设置为0。
7.shader整洁之道
（1）.数值类型
（2）.避免不必要的计算
避免在shader'（尤其是片元着色器）中进行大量计算，不然很可能出席拿一下错误：
（3）慎用分支和循环语句
尽量把计算向流水线上端移动，例如：把放在片元着色器中的计算放到顶点着色器中，或直接在CPU中进行预计算，再把结果传递给shader。
当不可避免使用分支语句进行计算时：
（4）不要除以0
8.漫反射光照模型
（1）高光反射：表示物体表面是如何反射光线的。
（2）漫反射：表示有多少光线会被折射，吸收和散射出表面。
（3）标准光照模型的4部分：自发光，高光反射，漫反射（兰伯特光照模型），环境光
注意：在计算法线和光源方向时，应选择同一坐标系
（4）在片元着色器中计算光照模型-----逐像素光照，又称为Phong着色
在顶点着色器中计算光照模型-----逐顶点光照，Gouraud Shading
（5）.逐顶点漫反射光照模型
Shader "MyShader" { Properties { _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1) } SubShader { Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc" fixed4 _Diffuse; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; fixed3 color : COLOR; }; v2f vert(a2v v) { v2f o; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.tvertex); fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
//世界空间下的法线
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);//方法一
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);//方法二
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)); o.color = ambient + diffuse; return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { return fixed4(i.color, 1.0); } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }
（6）.逐像素漫反射光照模型
Shader "MyShader" { Properties { _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1) } SubShader { Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc" fixed4 _Diffuse; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; fixed3 worldNormal : TEXCOORD0; }; v2f vert(a2v v) { v2f o;
//将顶点坐标从模型空间转换到裁剪空间 o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.tvertex);//方法一
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.tvertex);//方法二 o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object); return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;//世界空间下环境光颜色 fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//世界空间下的光照方向 fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));//saturate函数：把参数截取到[0，1]的范围。 fixed3 color = ambient + diffuse; return fixed4(color, 1.0); } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }
半兰伯特光照模型与兰伯特光照模型的区别在于：兰伯特光照模型使用saturate函数把saturate(dot(worldNormal, worldLightDir))截取到[0，1]的范围。半兰伯特使用dot(worldNormal, worldLightDir)*0.5+0.5截取到[-1，1]的范围。
半兰伯特光照模型（逐像素）：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Half Lambert" { Properties { _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1) } SubShader { Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "Lighting.cginc" fixed4 _Diffuse; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; float3 worldNormal : TEXCOORD0; }; v2f vert(a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject); return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); fixed halfLambert = dot(worldNormal, worldLightDir) * 0.5 + 0.5; fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * halfLambert; fixed3 color = ambient + diffuse; return fixed4(color, 1.0); } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }
9.高光反射光照模型
逐顶点：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Specular Vertex-Level" { Properties { _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1) _Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1) _Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20 } SubShader { Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "Lighting.cginc" fixed4 _Diffuse; fixed4 _Specular; float _Gloss; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; fixed3 color : COLOR; }; v2f vert(a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)); // 世界空间下反射光方向 fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal)); // 世界空间下视野方向 fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz); fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss); o.color = ambient + diffuse + specular; return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { return fixed4(i.color, 1.0); } ENDCG } } FallBack "Specular" }
逐像素：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Specular Pixel-Level" { Properties { _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1) _Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1) _Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20 } SubShader { Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "Lighting.cginc" fixed4 _Diffuse; fixed4 _Specular; float _Gloss; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; float3 worldNormal : TEXCOORD0; float3 worldPos : TEXCOORD1; }; v2f vert(a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
// 传统计算光照方向的方法（1） o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
// 使用UnityCG.cginc中的函数计算光照方向的方法（2）
fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)); // 世界空间下反射光方向 fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal)); // 世界空间下视野方向---传统方法(1) fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
//采用unity内置函数(2)
fixed3 viewDir=normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos)); fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss); return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0); } ENDCG } } FallBack "Specular" }
10.Blinn-Phong光照模型
逐像素：
// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld' // Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject' // Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)' Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Blinn-Phong" { Properties { _Diffuse ("Diffuse", Color) = (1, 1, 1, 1) _Specular ("Specular", Color) = (1, 1, 1, 1) _Gloss ("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20 } SubShader { Pass { Tags { "LightMode"="ForwardBase" } CGPROGRAM #pragma vertex vert #pragma fragment frag #include "Lighting.cginc" fixed4 _Diffuse; fixed4 _Specular; float _Gloss; struct a2v { float4 vertex : POSITION; float3 normal : NORMAL; }; struct v2f { float4 pos : SV_POSITION; float3 worldNormal : TEXCOORD0; float3 worldPos : TEXCOORD1; }; v2f vert(a2v v) { v2f o; o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject); o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz; return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz; fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal); fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir)); // Get the view direction in world space fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz); // Get the half direction in world space fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir); // Compute specular term fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss); return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0); } ENDCG } } FallBack "Specular" }
注意：
1。在实际的渲染中，绝大多数情况选择Blinn-Phong光照模型。
2。上例中计算光源方向的方法只适用于平行光。
