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Shader 【Unity3D Shader编程】之二(上):Unity的基本Shader框架写法&颜色、光照与材质

 

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发表于 2015-11-22 10:49:46
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下文链接:【Unity3D Shader编程】之二(下):Unity的基本Shader框架写法&颜色、光照与材质
【浅墨Unity3D Shader编程系列-第二篇--雪山飞狐】 PS:由于原文较长.特分为上下两篇.[文章所带资源.回复可见.]作者原话(原帖地址见末尾):
本篇文章中,我们学习了unity Shader的基本写法框架,
以及学习了Shader中Properties(属性)的详细写法,光照、材质与颜色的具体写法。
写了6个Shader作为本文Shader讲解的实战内容,最后创建了一个逼真的暴风雪场景进行了Shader的测试。
依旧是国际惯例先上本文配套程序的截图。
先是一张远眺图:
1.jpg

浅墨在场景中放置了一个自动旋转的剑阵,瞬间武侠气息爆棚:

2.jpg


看到银白色的世界漫天飞雪,剑阵列为圈旋转,有没有雪山飞狐的即视感呢?


需要说明的是,由于CSDN的图片上传限制2Mb,这样画质的场景做成GIF上传不了。而静态的图片没有动态的表现力,感受不到风雪吹到自己身上的那种刺骨的感觉,所以在这里贴出的图,表现力已经是大打则扣了,而音效和背景音乐更是听不了,表现力就更是不如亲自运行了,所以浅墨推荐感兴趣的同学可以下载此场景的exe自己运行玩耍,赏玩。且此场景有些庞大,徒步走估计5分钟才能走到场景边界。Please enjoy~

回复下载此“雪山飞狐”场景的exe。场景unity源文件和源代码

尊敬的游客,如果您要查看本帖隐藏内容请回复


OK,我们正式开始。


一、一些基本概念认知


1.1 Shader和Material的基本概念认知


先引用一段文字,阐述Shader和Material的基本关系:


“Shader(着色器)实际上就是一小段程序,它负责将输入的Mesh(网格)以指定的方式和输入的贴图或者颜色等组合作用,然后输出。绘图单元可以依据这个输出来将图像绘制到屏幕上。输入的贴图或者颜色等,加上对应的Shader,以及对Shader的特定的参数设置,将这些内容(Shader及输入参数)打包存储在一起,得到的就是一个Material(材质)。之后,我们便可以将材质赋予合适的renderer(渲染器)来进行渲染(输出)了。

所以说Shader并没有什么特别神奇的,它只是一段规定好输入(颜色,贴图等)和输出(渲染器能够读懂的点和颜色的对应关系)的程序。而Shader开发者要做的就是根据输入,进行计算变换,产生输出而已。


这段文字出自猫都能学会的unity3d Shader入门指南(一)》,是比较好的Unity Shader的入门文章,可惜只写了两篇,后面就没有继续了。浅墨在文章开头懒得写了,就讲这句引用了过来。



1.2 背景知识说明


在这里需要说明,学习Unity中的Shader编程,最好是之前对OpenGL或Direct3D的渲染状态等相关知识有一个基本的了解。如果之前没有太接触过这方面的知识,可以看看浅墨写的DirectX相关的教程。而需要大量恶补提升图形编程功力的童鞋,可以在NVIDIAAMD开发者网站上可以找一些着色器教程和文档来啃啃。


对于本期的光照和材质,需要的背景知识可以看浅墨之前写的这篇以DirectX为载体的光照和材质导论式的文章:


【Visual C++】游戏开发笔记四十 浅墨DirectX教程之八 绘制真实质感的三维世界:光照与材质专场


如果对其中的C++&DirectX的代码不太熟悉的话,没关系。看看概念,了解个大概就可以了。



二、 Unity中Shader的三种基本类型


我们知道,计算机图形学的中渲染管线一般可以分为两种类型:


1.固定功能渲染管线(fixed-functionrendering pipelines)

2.可编程渲染管线(programmablerendering pipelines)


按这样的分类思路,在Unity中,Shader便可以分成如下三种基本类型:



1.固定功能着色器(Fixed Function Shader)


2.表面着色器(Surface Shader)


3.顶点着色器&片段着色器 (Vertex Shader & Fragment Shader)


顾名思义,其中的固定功能着色器便是我们所说的固定功能渲染管线(fixed-functionrendering pipelines)的具体表现,而表面着色器、顶点着色器以及片段着色器便属于可编程渲染管线。下面分别对其进行简单的介绍。


2.1 关于固定功能着色器

这里的固定功能着色器可以说是Unity为Shader的书写自带的一层壳,Unity已经在内部为我们做了大量的工作,我们只要稍微记住一些关键字、一些规范就可以实现出很多不错的效果。固定功能着色器是我们初学Unity Shader的最近几篇文章中的主要学习对象。而后面的表面着色器、顶点着色器以及片段着色器就是在固定功能着色器的基础上嵌套了CG语言的代码而成的更加复杂的着色器。我们来看看他们的一些基本概念。




2.2 关于表面着色器

表面着色器(Surface Shader)这个概念更多的只是在Unity中听说,可以说是Unity自己发扬光大的一项使Shader的书写门槛降低和更易用的技术。我们会在接下来的学习中逐渐意识到Unity是如何为我们把Shader的复杂性包装起来,使其书写的过程更便捷和易用的。


2.3 关于顶点着色器和片段着色器


研究过Direct3D和OpenGL着色器编程的童鞋们一定对这两者不陌生。我们来简单介绍一下他们的用途。

顶点着色器:产生纹理坐标,颜色,点大小,雾坐标,然后把它们传递给裁剪阶段。

片段着色器:进行纹理查找,决定什么时候执行纹理查找,是否进行纹理查找,及把什么作为纹理坐标


2.4 如何区分Unity中的Shader类型

在Unity中想要区分他们很简单。后面熟悉了自然知道。在这里浅墨先剧透一下:


  • 没有嵌套CG语言,也就是代码段中没有CGPROGARAM和ENDCG关键字的,就是固定功能着色器。
  • 嵌套了CG语言,代码段中有surf函数的,就是表面着色器。
  • 嵌套了CG语言,代码段中有#pragma vertex name和  #pragma fragment frag声明的,就是顶点着色器&片段着色器。


三、Unity中将Shader赋给Material的两种方法

在Unity中将Shader赋给Material使用的两种方法。


【方法一】直接将Shader拖拽到Material之上。这种方法我们上篇文章中已经多次讲到,也就是这样:


4.jpg

【方法二】在Material的Inspector面板中选择。

Unity中内建的Shader都是通过这种方式来让Material使用的。在Material的Inspector中,其名字下方的Shader栏中选择。可以发现Unity已经为我们准备好了很多种不同的Shader,基本可以满足居家旅行的需求了。


而对于我们自己新写的Shader,也会在这个菜单栏中显示出来。细心的朋友们看上图的时候,肯定就已经发现了。


这里选择的菜单取决于我们Shader中定义Shader的第一行代码时紧接着Shader关键字的引号“”里面的书写方式:




四、Unity 中Shader的基本框架


因为着色器代码可以说专用性非常强,因此Shader的设计者人为地规定了它的基本结构。而Unity中Shader整体的框架写法可以用如下的形式来概括:


Shader "name" { [Properties] SubShaders[Fallback] }


也就是说,Unity中所有着色器都是由Shader关键字开始,随后的字符串表示着色器的名字。这个名字会显示在Inspector检视面板中。所有用于这个着色器的代码必须放置在之后的大括号中:{ }(称为“块”)。

ps:该名字应该是短且描述性的文字。它并不需要和shader文件名相同。而想要把着色器加入到Unity的子菜单里,名字需要用斜线(/)。例如:浅墨Shader编程/TheFirstShader就是一个名叫TheFirstShader的着色器,而这个着色器位于“浅墨Shader编程”的子菜单下。这样,我们就可以在Shader后面紧跟着的引号中用“/”来构造出子二级甚至多级的子菜单来,方便了后面Shader写多了时候的合理分类,不至于太乱。


OK,我们继续讲。有图有真相,Shader整体的框架写法用图来说就是这样:


看图可以知道,首先是一些属性定义,用来指定这段代码将有哪些输入。接下来是一个或者多个的子着色器,在实际运行中,哪一个子着色器被使用是由运行的平台所决定的。子着色器是代码的主体,每一个子着色器中包含一个或者多个的Pass。在计算着色时,平台先选择最优先可以使用的着色器,然后依次运行其中的Pass,然后得到输出的结果。最后指定一个Fallback,可译为“回滚”,俗称备胎,用来处理所有SubShader都不能运行的情况(比如目标设备实在太老,所有SubShader中都有其不支持的特性,于是只好用备胎了,不然就显示不出来)。



不同的图形卡有不同的性能,这对游戏开发者来说是永恒的问题,而这恰恰就是子着色器为什么可以发光发热的原因。若我们开发出了一种使用了当前业界前沿技术构成的Shader,这种Shader目前只有百分之1的牛逼哄哄的显卡可以支持。


比较明智的做法是,把这套采用最前沿技术的Shader作为我们众多SubShader的其中的一员,然后还得准备一堆Plan B,应对其他硬件上的运行。也就是说,我们为所期望的采用最新技术的效果编写一个子着色器,然后为之前古老的显卡再编制一些备用的着色器。这些子着色器能选择使用更低层次的方式来实现我们的效果,或者选择放弃实现某些细节,确保无论在什么机器上跑,都能够运行出正确的效果。虽然这些效果会有一些细微的差别,因为使用的SubShader是不一样的,但却保证了我们的Shader在任何机器上都跑得起来。



PS:在实际进行表面着色器的开发时,我们就是直接在SubShader这个层次上写代码,系统会将把我们的代码编译成若干个合适的Pass。


用一个实例代码来说明吧。



我们在Project面板中右键->Create->Shader。新建一个Shader文件,然后双击打开,删掉原先代码,分分钟,我们按照上文的讲解,对照着图示,就可以写出如下框架的Shader代码来:


1:

  1. Shader "浅墨Shader编程/0.Shader框架示例"
  2. {
  3.        //-------------------------------【属性】-----------------------------------------  
  4.        Properties  
  5.        {
  6.               //纹理  
  7.               _MainTex("基本纹理",2D)="White"{TexGen ObjectLinear}     
  8.        }
  9.    
  10.        //---------------------------------【子着色器1】----------------------------------  
  11.        SubShader  
  12.        {
  13.               //----------------通道---------------  
  14.               Pass  
  15.               {
  16.                      //设置纹理为属性中选择的纹理  
  17.                      SetTexture[_MainTex]{combine texture}
  18.               }
  19.    
  20.        }
  21.    
  22.        //---------------------------------【备胎】----------------------------------------  
  23.        //备胎设为Unity自带的普通漫反射  
  24.        Fallback" Diffuse "
  25. }
复制代码

2:

解释起来就是:


1.着色器通过properties来可选的定义一个可通过材质设定界面来自定义的列表。具体到上述代码中写的Properties,就是定义了一个基本属性,参数名叫做_MainTex,在编辑器中显示的名称叫做“基本纹理”, 且纹理生成模式为ObjectLinear。


2.后面紧跟着核心部分子着色器SubShader,里面的一个Pass里面设置了纹理为我们属性中定义的那个_ MainTex。


3.添加一句Fallback代码用于应对我们Shader中的SubShader不能正确运行的情况。



需要注意的是,SubShader在UnityShader的代码段中必须有且至少有一个,而properties和fallback对于追求简单的Shader,是可以不写出来的。而复杂一点的Shader,当然各种properties、fallback什么的肯定都有,甚至有多个SubShader,而每个SubShader中又有多个Pass。


这个框架程序我们后面写新的Shader的时候就可以直接复制然后粘贴,接着在Properties中添加新的属性,SubShader中填充新的Pass以及开辟新的SubShader就行,就像做填空题一样。







五、Properties 属性相关内容讲解

下面,我们详细地来看一看作为Shader框架中三大组成部分之一的Properties属性的相关内容。

properties一般定义在着色器的起始部分,我们可以在Shader书写的时候定义多种多样的属性,而使用Shader的时候可以直接在材质检视面板(Material Inspector)里编辑这些属性,取不同的值或者纹理。这可以说是Unity贴心&可见即所得的又一体现吧。

以Unity自带的BasicVertex Lighting 基本顶点光照为例,一张很直观的图就是这样:



需要注意,Properties块内的语法都是单行的。每个属性都是由内部名称开始,后面括号中是显示在检视面板(Inspector)中的名字和该属性的类型。等号后边跟的是默认值。


5.1 Properties属性 相关代码写法列举


这一小节我们列举Unity中Shader的Properties属性相关语法参考,可以在需要时进行查阅:


Properties { Property [Property ...] }

定义属性块,其中可包含多个属性,其定义如下:


name ("display name", Range (min, max)) =number

定义浮点数属性,在检视器中可通过一个标注最大最小值的滑条来修改。


name ("display name", Color) =(number,number,number,number)

定义颜色属性


name ("display name", 2D) = "name" {options }

定义2D纹理属性


name ("display name", Rect) = "name"{ options }

定义长方形(非2次方)纹理属性


name ("display name", Cube) = "name"{ options }

定义立方贴图纹理属性


name ("display name", Float) = number

定义浮点数属性


name ("display name", Vector) =(number,number,number,number)

定义一个四元素的容器(相当于Vector4)属性





5.2 一些细节说明

  • 包含在着色器中的每一个属性通过name索引(在Unity中, 通常使用下划线来开始一个着色器属性的名字)。属性会将display name显示在材质检视器中,还可以通过在等符号后为每个属性提供缺省值。
  • 对于Range和Float类型的属性只能是单精度值。
  • 对于Color和Vector类型的属性将包含4个由括号围住的数描述。
  • 对于纹理(2D, Rect, Cube) 缺省值既可以是一个空字符串也可以是某个内置的缺省纹理:"white", "black", "gray" or"bump"
  • 随后在着色器中,属性值通过[name]来访问。





接着,让我们看一个示例,了解属性Properties的实际用法:


1:

  1. Shader "浅墨Shader编程/SimpleWater"
  2. {
  3.        Properties{
  4.               //properties for water shader  
  5.               //水着色器的属性  
  6.               _WaveScale("Wave scale", Range (0.02,0.15)) = 0.07 // 滑动条  
  7.               _ReflDistort("Reflection distort", Range (0,1.5)) = 0.5
  8.               _RefrDistort("Refraction distort", Range (0,1.5)) = 0.4
  9.               _RefrColor("Refraction color", Color)  =(.34, .85, .92, 1) // 颜色  
  10.               _ReflectionTex("Environment Reflection", 2D) = "" {} // 纹理  
  11.               _RefractionTex("Environment Refraction", 2D) = "" {}
  12.               _Fresnel("Fresnel (A) ", 2D) = "" {}
  13.               _BumpMap("Bumpmap (RGB) ", 2D) = "" {}
  14.        }
  15. //后续代码省略  
  16. ………  
  17.    
  18. }
复制代码


5.3 关于纹理属性选项
纹理属性在本文的第一个示例中就有用到,这里先再贴一遍2D纹理属性的写法:

name ("display name", 2D) ="name" { options }

需要注意的是,包含在纹理属性的大括号中的选项Options是可选的。可能的选项有如下:

TexGen纹理生成类型。即纹理的自动生成纹理坐标时的模式,可以是ObjectLinear, EyeLinear,SphereMap, CubeReflect, CubeNormal的其中之一;这些模式和OpenGL纹理生成模式相对应。注意如果使用自定义顶点程序,那么纹理生成将被忽略。

LightmapMode 光照贴图模式。如果我们给出这个选项,纹理将能被渲染器的光线贴图属性所影响。纹理不能被使用在材质中,而是取自渲染器的设定。这个我们以后会讲到。




六、光照、材质与颜色相关内容讲解

灯光和材质参数常常被用来控制内置的顶点光照。而Unity中的顶点光照也就是Direct3D/OpenGL标准的按每顶点计算的光照模型—— 光照打开时,光照受材质块,颜色材质和平行高光命令的影响。


我们来一起看一看光照、材质与颜色具体的语法。

这里讲到的都是采用固定功能渲染的代码写法,以及一些控制选项。讲得有些细了,不用一次全记住,需要的时候回过头来进行查阅就行了。





6.1 用于通道Pass中的代码写法列举



这些代码一般是写在Pass{ }中的,细节如下:

Color Color
设定对象的纯色。颜色即可以是括号中的四值(RGBA),也可以是被方框包围的颜色属性名。

Material { Material Block }
材质块被用于定义对象的材质属性。

Lighting On | Off
开启光照,也就是定义材质块中的设定是否有效。想要有效的话必须使用Lighting On命令开启光照,而颜色则通过Color命令直接给出。

SeparateSpecular On | Off
开启独立镜面反射。这个命令会添加高光光照到着色器通道的末尾,因此贴图对高光没有影响。只在光照开启时有效。

ColorMaterial AmbientAndDiffuse | Emission
使用每顶点的颜色替代材质中的颜色集。AmbientAndDiffuse 替代材质的阴影光和漫反射值;Emission 替代 材质中的光发射值。






6.2 材质块Material Block 中相关代码写法列举
如下这些代码的使用的地方是在SubShader中的一个Pass{ }中新开一个Material{ }块,在这个Material{ }块中进行这些语句的书写。这些代码包含了包含材质如何和光线产生作用的一些设置。这些属性默认为值都被设定为黑色(也就是说不产生作用),也就是说他们一般情况下可以被忽略。当然,还是有很多时候需要使用到他们的。

Diffuse Color(R,G,B,A)
漫反射颜色构成。这是对象的基本颜色。

Ambient Color(R,G,B,A)
环境色颜色构成.这是当对象被RenderSettings.中设定的环境色所照射时对象所表现的颜色。

Specular Color(R,G,B,A)
对象反射高光的颜色。(R,G,B,A)四个分量分别代表红绿蓝和Alpha,取值为0到1之间。

Shininess Number
加亮时的光泽度,在0和1之间。0的时候你会发现更大的高亮也看起来像漫反射光照,1的时候你会获得一个细微的亮斑。

Emission Color
自发光颜色,也就是当不被任何光照所照到时,对象的颜色。(R,G,B,A)四个分量分别代表红绿蓝和Alpha,取值为0到1之间。


而打在对象上的完整光照颜色最终是:

FinalColor=
        Ambient * RenderSettings ambientsetting + (Light Color * Diffuse + Light Color *Specular) + Emission


翻译过来的中文式子便是:

最终颜色=环境光反射颜色* 渲染设置环境设置 *(灯光颜色*漫反射颜色+灯光颜色*镜面反射颜色)+自发光

知道了这个式子,我们就知道了,在各种光的综合作用下,我们材质最终的颜色是怎么来的了。
需要注意的是:方程式的灯光部分(也就是带括号的部分)对所有打在对象上的光线都是重复使用的。而我们在写Shader的时候常常会将漫反射和环境光光保持一致(所有内置Unity着色器都是如此)



文章链接http://blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/40955607



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真棒 真棒

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学习了

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元素帖子强,满满正能量!

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zzh
真的很不错啊

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来一发,好厉害!!

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厉害

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吊的不幸

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楼主发贴辛苦了,谢谢楼主分享!

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围观{:1_145:}

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这真是极好的啊

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haodongxi.....

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天下武功出少林,世界资源入元素!

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感谢楼主无私奉献

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nv72

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太棒了……

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V字形从vgdfdfg

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盘 TA

太棒了,谢谢楼主给的自此

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