Unity Shader 理论（一）

什么是Shader？

Shader用来控制渲染流水线中的某些特定阶段。

渲染流水线

工作任务：由一个三维场景出发，生成（渲染）一张二维图像。

应用阶段（Application Stage）

由CPU负责，开发者拥有绝对的控制权。
步骤：

  1. 准备场景数据，做粗粒度剔除，将不可见的物体剔除出去。
  2. 加载渲染数据。（硬盘HDD->内存RAM->显存VRAM）
  3. 设置渲染状态，包括不限于材质、纹理、shader。
  4. 调用Draw Call，输出渲染图元。

几何阶段（Geometry Stage）

由GPU负责，接收顶点数据作为输入，和每个渲染图元打交道，进行逐顶点、逐多边形的操作。
任务：

  1. 顶点坐标 –> 屏幕空间
  2. 输出屏幕空间的二维顶点坐标，及对应的深度值，着色等相关信息。

顶点着色器（Vertex Shader）

完全可编程，通常用于实现顶点的空间变换，顶点着色等功能。
单位是顶点，从CPU传递过来的顶点都会调用一次顶点着色器。
着色器不能创建/销毁任何顶点，也无法得到顶点与顶点之间的关系。
任务：

  1. 坐标系转换：将顶点坐标从模型空间转换到齐次裁剪空间（MVP），再由硬件做透视除法，得到归一化的设备坐标（NDC）
  2. 逐顶点光照
  3. 坐标变换：模拟水面、布料等
    NDC

曲面细分着色器

可选的着色器，用于细分图元

几何着色器

可选的着色器，逐图元的着色操作，或者被用于产生更多的图元。

裁剪

剔除不在摄像机视野范围内的顶点，包括完全在视野内，部分在视野内（会生成新的顶点），完全在视野外

屏幕映射

将每个图元的坐标转换到屏幕坐标系（视口变换）

光栅化阶段（Rasterizer Stage）

处理上一阶段的信息：屏幕坐标系下的顶点位置以及相关信息。
由GPU负责，生成屏幕上的像素，渲染出最终的图像。
任务：

  1. 计算图元覆盖了哪些像素，为这些像素计算它们的颜色
  2. 对上一阶段得到的逐顶点数据进行插值运算，在进行逐像素处理

三角形设置

固定函数阶段。
计算每个图元覆盖了哪些像素，以及为这些像素计算它们的颜色。

三角形遍历（扫描变换）

固定函数阶段。
检查每个像素是否被三角形网格覆盖，如果被覆盖则生成片元。输出一个片元序列。
片元：包含了很多状态的集合，如屏幕坐标，深度信息，顶点信息

片元着色器

实现逐片元的着色操作，是非常重要的可编程着色器阶段。
输入是上一个阶段对顶点信息插值得到的结果，根据片元信息，计算该片元的输出颜色。
在这个阶段，可以做纹理采样等很多重要的渲染技术。

逐片元操作

  • 决定每个片元的可见性，涉及到各种测试工作，如深度测试、模板测试。

  • 通过测试后，将片元的颜色和存储在颜色缓冲区的颜色进行合并，或者说混合。

  • 模板测试（即颜色缓冲，深度缓冲）：
    读取模板缓冲区中该片元位置的模板值，任何进行比较。
    通常用于限制渲染的区域，高级用法则是渲染阴影、轮廓渲染等

  • 深度测试：
    将该片元的深度值和深度缓冲区的深度值进行比较，进行遮挡剔除，透明效果。
    可以决定是否进行深度写入，将该片元的深度值覆盖原有的深度值
    在Unity中，深度测试是在片元着色器之前，减少性能损耗，但有时也会出现操作上的冲突。

  • 合并
    对颜色信息进行处理，因为颜色缓冲往往已经有了上次渲染之后的结果，是要覆盖还是其它效果？
    不透明物体：关闭混合
    半透明：开启混合
    需要一个混合函数，

显示到屏幕

屏幕显示的时颜色缓冲区中的颜色值，GPU会用双重缓冲的策略，对场景的渲染发送在后置缓冲中，GPU会交换前置缓冲区和后置缓冲区中的内容。

OpenGL/DirectX

图像应用编程接口，是上层应用程序和底层GPU的沟通桥梁。
HSLS、GLSL、CG则是着色器编程语言。

ShaderLab

概述

Unity中，需要材质（Material）和Shader配合。
ShaderLab：对普通的Shader进行抽象，再封装一层。是Unity为开发者提供的高层级的渲染抽象层。

各模块解释

Properties：材质属性的声明。
类型：Int，Float，Ranage，Color，Vector，2D，Cube，3D
SubShader：因为不同的显卡具有不同的能力，所以需要用不同的SubShader去匹配不同目标平台。
Pass：定义了一次完整的渲染流程，Pass过多会导致性能下降。
状态设置
标签

顶点着色器的输入参数

可以定义一个结构体，用来定义顶点着色器的输入，注意语义。
这些输入的数据，由使用该材质的Mesh Render组件提供。

内置文件与变量

可以用#include指令将内置的包含文件包含进来。
在Unity应用程序中找到CGIncludes文件夹，里面包含了所有的内置包含文件。
这里列举几个常用的：

  1. UnityCGcginc：包含了最常使用的帮助函数、宏和结构体等
  2. UnityShaderVariables.cginc：会被自动包含进来，包括各种内置的全局变量，如MVP矩阵
  3. Lighting.cginc：包含各种内置的光照模型，如果用的是Surface Shader，则会自动包含进来
  4. HLSLSupport.cginc：在编译Unity Shader时，会被自动包含进来，声明了许多跨平台的宏和定义

Unity支持的语义

应用阶段–>顶点着色器：

  • POSITION:模型空间中的顶点位置，通常是float4类型
  • NORMAL:顶点法线，通常是float3类型
  • TANGENT:顶点切线，通常是float4类型
  • TEXCOORDn:顶点的纹理坐标，0表示第一组，以此类推，通常是float2或float4类型
  • COLOR:顶点颜色，通常是fixed4或float4类型

顶点着色器–>片元着色器：

  • SV_POSITION：裁剪空间中的顶点坐标
  • COLOR0/1：通常用于输出第一/二组顶点颜色
  • TEXCOORD0~TEXCOORD7:通常用于输出纹理坐标

片元着色器–>Unity

  • SV_Target:输出值将会存储到渲染目标

Debug

  • 使用假彩色图像
  • 用Visual Studio进行调试

其它

不同的Shader Target，不同的着色器阶段，可使用的临时寄存器和指令数目都是不同的。

基础光照

标准光照模型

标准光照模型只关心直接光照
光照

环境光

物体可以被间接光照照亮，环境光用来模拟间接光照，通常是一个全局变量
环境光

自发光

用材质本身的自发光颜色

漫反射

兰伯特定律：反射光线的强度与表面的法线和光源之间的夹角的余弦值成正比。
兰伯特

高光反射

Phong模型，Blinn-Phong模型（无法表示涅尔反射和各向异性）
高光Phong
高光Blinn-Phong

代码

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Shader "Unlit/MyShader6_4"
{
    Properties
    {
        //漫反射的颜色,可以理解为材质，物体吸收了光，反射出什么颜色
        _Diffuse("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
        //高光反射的颜色,可以理解为材质，物体吸收了光，反射出什么颜色
        _Specular("Diffuse", Color) = (1,1,1,1)
        //控制高光区域的大小，可以理解为Phong模型的一个系数
        _Gloss("Gloss", Range(8.0, 256)) = 20
    }
    SubShader
    {
        

        Pass
        {
            //逐顶点的前向渲染
            Tags {"LightMode" = "ForwardBase"}
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            // make fog work
            #pragma multi_compile_fog
            //引入这个库才能正确使用内置的光照变量
            #include "Lighting.cginc"

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float3 normal : NORMAL;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                fixed3 worldNormal : COLOR;
            };

            fixed4 _Diffuse;
            fixed4 _Specular;
            float _Gloss;

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                //模型空间到裁剪空间
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                //世界坐标下的法线，逆矩阵+转置矩阵
                o.worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));

                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                fixed3 worldNormal = i.worldNormal;
                //世界空间下指向光源的平行光方向
                fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
                //兰伯特经验模型
                fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));
                fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
                fixed3 color = ambient + diffuse;

                //高光反射模型
                //反射方向
                fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLight, worldNormal));
                //视角方向
                fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, i.pos).xyz);
                fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow( saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

                //Blinn-Phong模型
                float3 halfDir = normalize(worldLight + viewDir);
                specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);

                // sample the texture
                fixed3 col = ambient + diffuse + specular;
                return fixed4(col, 1.0);
            }
            ENDCG
        }
    }
    FallBack "Specular"
}

基础纹理

单张纹理

我们通常会用一张纹理来代替物体的漫反射颜色。
除了在Properties语义块添加一个纹理属性以外，还需要为纹理类型的属性声明一个float4类型的变量，来表示缩放和平移值。

凹凸映射

原理是用一张纹理来修改模型表面的法线。
方法有二：

  1. 高度纹理：存储高度值，表示模型表面局部的海拔高度，需要由像素的灰度值计算而得，消耗性能
  2. 法线纹理：
  • 法线方向的分量范围在[-1,1]，而像素的分量范围为[0,1]，所以需要做一个映射
  • 一般采用模型顶点的切线空间在存储法线，对于模型的每个顶点，都有属于它的切线空间，

渐变纹理

用渐变纹理来控制漫反射光照

遮罩纹理

遮罩纹理允许我们保护某些范围，让它们免于修改。
流程：通过采样得到遮罩纹理的纹素值，然后用其中某个通道的值来与某种表面属性进行相乘，这样，当该通道的值为0时，可以保护表面不受该属性的影响。

透明效果

要在实时渲染中实现透明效果，通常会在渲染模型时控制它的透明通道（Alpha Channel）
当开启透明混合后，当一个物体被渲染到屏幕上时，每个片元除了颜色值和深度值以外，还有另一个属性–透明度。（1为完全不透明）
两种方法来实现透明效果：

  • 透明度测试：无法得到真正的半透明效果，有深度写入，要么完全透明，要么完全不透明。
  • 透明度混合：当前片元的透明度作为混合因子，与已经存储在颜色缓冲的颜色值进行混合，得到新的颜色。

渲染顺序

在使用深度缓冲的情况下，可以不用担心不透明物体的渲染顺序，但是要实现透明效果，就需要使用透明度混合，同时关闭深度写入。
渲染引擎一般会先对物体进行排序，再渲染，常用的方法是：

  1. 先渲染所以不透明物体，并开启它们的深度测试和深度写入
  2. 再将半透明物体按它们的远近进行排序，然后按顺序依次渲染，开启深度测试，关闭深度写入

UnityShader的渲染顺序

Queue标签决定模型归属于哪个渲染队列。

透明度测试

简单粗暴，透明度低于某个值就直接剔除掉。
无法得到真正的半透明效果，有深度写入，要么完全透明，要么完全不透明。

透明度混合

真正的实现半透明效果
当前片元的透明度作为混合因子，与已经存储在颜色缓冲的颜色值进行混合，得到新的颜色。

双面渲染

一个物体如果透明能透过它看见其他物体，那也能透过它看到自身的结构，但是由于性能优化， 看不见的一面默认不渲染。
需要看见自己需要开启双面渲染，使用Cull命令。
Cull Back | Front | Off
分别表示提出背面，正面，关闭剔除。

Reference

[1] [Unity-shader入门精要-冯乐乐]

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    缺失模块。
    1、请确保node版本大于6.2
    2、在博客根目录（注意不是yilia根目录）执行以下命令：
    npm i hexo-generator-json-content --save

    3、在根目录_config.yml里添加配置： 

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很惭愧<br><br>只做了一点微小的工作<br>谢谢大家