Shader学习笔记

Shader学习笔记
例子：

Shader "SrfShader1"{
	//定义显示在Inspector中的变量，并从Inspector中获取值
	Properties{
		_Color("Color",Color)=(1,1,1,1) //用来融合漫反射或2d纹理的颜色
		_MainTex("MainTex (RGB)",2D)="white"{} //主2d纹理图片色
		_Gloss("Gloss",Range(1,100)) = 10
	}
	//可以多个SubShader块(渲染方案)，从第一个开始匹配，直到可用，否则匹配FallBack方案
	SubShader{
		Pass{
			Tags{"LightMode"="ForwardBase"}//标签
			CGPROGRAM
			//引入unity内置的文件，取得第一个直射光源（这样可以访问它的属性：颜色_LightColor0,法线_World2Object,位置_WorldSpaceLightPos0）
			#include "Lighting.cginc" 
			//声明两个函数，顶点函数和片元函数（系统自动调用这两个函数）
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			//定义变量，从Properties中获得的材质球的颜色
			fixed4 _Color; 
			sampler2D _MainTex; //2d纹理
			float4 _MainTex_ST;  //该2d纹理的缩放和偏移
			half _Gloss;
			//定义结构体(定义了一个顶点的3个属性：顶点坐标、法线方向、纹理贴图中的坐标)
			struct a2v{
				float4 vertex:POSITION; //告诉Unity把模型空间下的顶点坐标填充给该变量vertex
				float3 normal:NORMAL; //告诉Unity把模型空间下的法线方向填充给normal
				float4 texcoord:TEXCOORD0; //告诉Unity把第一套纹理坐标UV填充给texcoord
			};
		
			struct v2f{
				float4 position:SV_POSITION; //填充为剪裁空间的坐标
				float3 worldNormal:COLOR0;
				float3 worldVertex:COLOR1;
				float2 uv:TEXCOORD1; 
			};
			//定义顶点函数(对模型的每个顶点调用,把结构a2v中的值赋值给f,把返回值应用到每个顶点,根据顶点之间的插值来填充非顶点位置)
			//把逻辑写在这里，表示使用逐顶点计算的光照色
			v2f vert(a2v v){
				v2f f;
				//把把模型空间下的顶点坐标转换为剪裁空间的顶点坐标
				f.position = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);
				f.worldNormal = mul(v.normal,(float3x3)_World2Object);
				//f.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);//也可以使用UnityCG.cginc中一些常用的函数
				f.worldVertex = mul(v.vertex,_World2Object).xyz;
				f.uv = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw; //取到贴图的UV坐标的缩放倍数+偏移
				return f;
			}
			//定义片元函数(对剪裁空间下的模型上的每个像素点调用，把返回值颜色应用到每个对应的像素点)
			//把逻辑写在这里，表示使用逐像素计算的光照色
			fixed4 frag(v2f f):SV_Target{
				//把把模型空间下的法线方向转换为模型空间的法线方向，并取得该法线的单位向量
				fixed3 normalDir = normalize(f.worldNormal);
				//取得光的位置（这里是平行光）的单位向量
				fixed3 lightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
				//取得纹理贴图当前像素点的颜色,并和指定颜色融合
				fixed3 texture2dColor = tex2D(_MainTex,f.uv.xy)*_Color.rgb;
				//1.取得漫反射的颜色(使用半兰伯特光照模型)，融合贴图颜色
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * (dot(normalDir,lightDir)*0.5+0.5) * texture2dColor;
				//取得反射光的方向，利用reflect()方法，根据入射光和法线来取
				//fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-lightDir,normalDir));
				//取得视野方向，_WorldSpaceCameraPos表示视野位置
				fixed3 viewDir = normalize( _WorldSpaceCameraPos.xyz - f.worldVertex );
				//取得平行光和视野方向的平分线方向单位向量（两个向量相加除2就等于平分线向量）
				fixed3 halfDir = normalize(lightDir+viewDir);
				//2-1.取得反射光颜色（Blinn光照模型）
				//fixed3 specular = _LightColor0.rgb * pow(max(dot(reflectDir,viewDir),0),_Gloss);
				//2-2.取得反射光颜色（Blinn-Phong光照模型）
				fixed3 specular = _LightColor0.rgb * pow(max(dot(normalDir,halfDir),0),_Gloss);
				//3.各种影响的颜色叠加：漫反射 + 高光反射 + Unity内置环境光颜色与贴图色融合(融合后效果更好，不会只是变亮或变暗)
				fixed3 tempColor = diffuse + specular + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb*texture2dColor;
				return fixed4(tempColor,1);
			}
			ENDCG
		}
	}
	FallBack "Diffuse"
}

Mesh Filter ： 存储一个Mesh（网格，模型的网格，就是模型的由哪些三角面组成，组成一个什么样子的模型，三角面的一些顶点信息）
Mesh Renderer:用来渲染一个模型的外观，就是样子， 按照 mesh给它皮肤，给它颜色
通过Material（材质）控制模型渲染的样子
Material贴图(可以没有，可以是一个单纯的颜色)

书籍
unity shader 入门精要（乐乐程序猿）
unity 3d shaderlab开发实战详解（第二版）
unity 5.x shaders and effects cookbook(中文版 unity着色器和屏幕特效开发秘籍)

CG语言教程官网
http://http.developer.nvidia.com/CgTutorial/cg_tutorial_frontmatter.html

一些网站
www.shadertoy.com
http://blog.csdn.net/poem_qianmo?viewmode=contents

数学函数在线演示
http://zh.numberempire.com/graphingcalculator.php

UnityCG.cginc中一些常用的函数，这个文件默认会自动引入

//摄像机方向（视角方向）
float3 WorldSpaceViewDir(float4 v)      根据模型空间中的顶点坐标 得到 （世界空间）从这个点到摄像机的观察方向
float3 UnityWorldSpaceViewDir(float4 v) 世界空间中的顶点坐标==》世界空间从这个点到摄像机的观察方向
float3 ObjSpaceViewDir(float4 v)         模型空间中的顶点坐标==》模型空间从这个点到摄像机的观察方向
//光源方向
float3 WorldSpaceLightDir(float4 v)     模型空间中的顶点坐标==》世界空间中从这个点到光源的方向
float3 UnityWorldSpaceLightDir(float4 v)     世界空间中的顶点坐标==》世界空间中从这个点到光源的方向
float3 ObjSpaceLightDir(float4 v)     模型空间中的顶点坐标==》模型空间中从这个点到光源的方向
//方向转换
float3 UnityObjectToWorldNormal(float3 norm) 把法线方向 模型空间==》世界空间
float3 UnityObjectToWorldDir(float3 dir) 把方向 模型空间=》世界空间
float3 UnityWorldToObjectDir(float3 dir) 把方向 世界空间=》模型空间

什么是OpenGL、DirectX
shader可以认为是一种渲染命令 ，由opengl 或者dx进行解析，来控制渲染丰富多彩的图形

OpenGL 使用GLSL 编写shader
DirectX 使用HSSL 编写shader
英伟达 CG 编写shader（跨平台）

Unity Shader的分类
使用的是ShaderLab编写Unity中的Shader
1,表面着色器 Surface Shader
2,顶点/片元着色器 Vertex/Fragment Shader
3,固定函数着色器 Fixed Function Shader

Unityshader中属性的类型有哪些
_Color("Color",Color)=(1,1,1,1)
_Vector("Vector",Vector)=(1,2,3,4)
_Int("Int",Int)= 34234
_Float("Float",Float) = 4.5
_Range("Range",Range(1,11))=6
_2D("Texture",2D) = "red"{}
_Cube("Cube",Cube) = "white"{}
_3D("Texure",3D) = "black"{}
传递步骤：1-3
1.从应用程序传递到顶点函数的语义有哪些a2v
POSITION 顶点坐标（模型空间下的）
NORMAL 法线( 模型空间下)
TANGENT 切线（模型空间）
TEXCOORD0~ｎ　纹理坐标(0-1的值)
COLOR 顶点颜色

2.从顶点函数传递给片元函数的时候可以使用的语义
SV_POSITION 剪裁空间中的顶点坐标（一般是系统直接使用）
COLOR0 可以传递一组值 4个
COLOR1 可以传递一组值 4个
TEXCOORD0~7 传递纹理坐标

3.片元函数传递给系统
SV_Target 颜色值，显示到屏幕上的颜色

声明两个函数，顶点函数和片元函数（系统自动调用这两个函数）
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
逐顶点计算光照，效果较差，顶点之间的过度迹象明显，但渲染速度较快
v2f vert(a2v v){.....}
逐像素计算光照，效果较好，平滑过渡，但渲染速度较慢
fixed4 frag(v2f f):SV_Target{...}

什么是光照模型
光照模型就是一个公式，使用这个公式来计算在某个点的光照效果（模拟现实中的效果）

标准光照模型
在标准光照模型里面，我们把进入摄像机的光分为下面四个部分
1.自发光
2.高光反射（根据法线直接反射，类似镜子）
3.漫反射 Diffuse = 直射光颜色 * max(0,cos夹角(光和法线的夹角) ) cosθ = 光方向· 法线方向
4.环境光

Tags{ "LightMode"="ForwardBase" }
只有定义了正确的LightMode才能得到一些Unity的内置光照变量
#include "Lighting.cginc"
引入unity的内置的文件，取得第一个直射光源（这样可以访问它的属性）

normalize() 用来把一个向量，单位化（原来方向保持不变，长度变为1），单位向量
max() 用来取得函数中最大的一个
dot 用来取得两个向量的点积
_WorldSpaceLightPos0 取得平行光的位置
_LightColor0取得平行光的颜色
UNITY_MATRIX_MVP 这个矩阵用来把一个坐标从模型空间转换到剪裁空间
_World2Object 这个矩阵用来把一个方向从世界空间转换到模型空间
UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT 用来获取环境光，可在Window>>Linghting菜单里面的Ambient Source设置

融合：两个颜色相乘，融合后混合了两种颜色，但亮度可能变暗
叠加：两个颜色相加，相加后亮度一般会增强

漫反射：
兰伯特光照模型：背光部分是纯黑的
Diffuse = 直射光颜色 * max(0, cosθ) ，其中cosθ = dot(光方向,法线方向)，即：点积
半兰伯特光照模型：背光部分不会全黑
Diffuse = 直射光颜色 （cosθ0.5 +0.5）

高光反射：
Blinn光照模型
Specular= 直射光 * pow(max(cosθ,0),10) θ:是反射光方向和视野方向的夹角
Blinn-Phong光照模型
Specular=直射光 * pow(max(cosθ,0),10) θ:是法线和x的夹角 x 是平行光和视野方向的平分线

shader中的各种空间坐标
http://blog.csdn.net/lyh916/article/details/50906272
什么是切线空间（法线贴图使用切线空间，就可以通用于不同模型）
http://blog.csdn.net/bonchoix/article/details/8619624

法线贴图：显示为蓝色的图片，使用切线空间
法线坐标处理为像素值：
pixel = (normal+1)/2
像素值处理为法线坐标：
normal = pixel*2 - 1

法线贴图的使用（凹凸调节+透明度）

Shader "Rock Alpha"{
	Properties{
		//_Diffuse("Diffuse Color",Color) = (1,1,1,1)
		_Color("Color",Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex("Main Tex",2D) = "white"{}
		_NormalMap("Normal Map",2D) = "bump"{} //法线贴图
		_BumpScale("Bump Scale",Float)=1 //用来调节凹凸
		_AlphaScale("Alpha Scale",Float)=1 //调节透明度
	}
	SubShader{
		//用于透明度渲染
		Tags{ "Queue"="Transparent" "IngnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent" }
		Pass{
			Tags{ "LightMode" = "ForwardBase" }
			//以下两个用于透明度渲染
			ZWrite Off
			Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
			CGPROGRAM
			#include "Lighting.cginc"
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			//fixed4 _Diffuse;
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			sampler2D _NormalMap;
			float4 _NormalMap_ST;
			float _BumpScale;
			float _AlphaScale;
			struct a2v {
				float4 vertex:POSITION;
				float3 normal:NORMAL;
				float4 tangent:TANGENT;//tangent.w是用来确定切线空间中坐标轴的方向的 
				float4 texcoord:TEXCOORD0;
			};
			struct v2f {
				float4 svPos:SV_POSITION;
				//float3 worldNormal:TEXCOORD0;
				//float4 worldVertex:TEXCOORD1;
				float3 lightDir : TEXCOORD0;
				float4 uv:TEXCOORD1; //贴图坐标存在xy，法线贴图存在zw
			};
			v2f vert(a2v v) {
				v2f f;
				f.svPos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
				//f.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
				//f.worldVertex = mul(v.vertex, _World2Object);
				f.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTex_ST.xy + _MainTex_ST.zw;
				f.uv.zw = v.texcoord.xy * _NormalMap_ST.xy + _NormalMap_ST.zw;
				TANGENT_SPACE_ROTATION;//调用这个宏之后，会得到一个矩阵 rotation 这个矩阵用来把模型空间下的方向转换成切线空间下
				//ObjSpaceLightDir(v.vertex)//得到模型空间下的平行光方向 
				f.lightDir = mul(rotation, ObjSpaceLightDir(v.vertex)); //得到切线空间下的平行光方向 
				return f; 
			}
			fixed4 frag(v2f f) :SV_Target{
				//fixed3 normalDir = normalize(f.worldNormal);
				fixed4 normalColor = tex2D(_NormalMap,f.uv.zw);
				fixed3 tangentNormal = UnpackNormal(normalColor);//UnpackNormal()转换为切线空间下的法线
				tangentNormal.xy = tangentNormal.xy*_BumpScale;//调节凹凸
				tangentNormal = normalize(tangentNormal);
				fixed3 lightDir = normalize(f.lightDir);
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, f.uv.xy)*_Color;
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * texColor.rgb * max(dot(tangentNormal, lightDir), 0);
				fixed3 tempColor = diffuse + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.rgb*texColor;
				return fixed4(tempColor,_AlphaScale*texColor.a );//透明度混合了_AlphaScale和texColor.a 
			}
			ENDCG
		}
	}
	Fallback "Specular"
}