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【Unity3D】表面着色器_unity着色器

作者：不正经 | 2024-02-18 12:15:20

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unity着色器

1 前言

        固定管线着色器一、固定管线着色器二 中介绍了 ShaderLib 的基本用法，本文将接着讲解表面着色器（Surface Shader）的用法。固定管线着色器基于 ShaderLib 命令实现，表面着色器基于 CG 语言实现。目前主流的 Shader 编程语言主要有 GLSL、HLSL、CG，如下：

  • GLSL：OpenGL Shading Language，基于 OpenGL 接口，跨操作系统，依赖硬件，可以在 Windows 、Linux、Mac、Web、移动端跑，这种跨平台是由于 OpenGL 没有提供编译器，由显卡驱动完成着色器的编译工作，即显卡驱动支持 OpenGL，它就可以运行；
  • HLSL：High Level Shading Language，基于 DirectX 接口，由微软研发，不依赖硬件，就算有不同的硬件，同一个着色器编译结果是一样的；
  • CG：C for Graphic，由 NVIDIA（英伟达）研发，跨操作系统，不依赖硬件，它会根据平台的不同编译成相应的中间语言，CG 语言的跨平台性很大程度取决于与微软的合作，这也导致 CG 和 HLSL 非常相似，CG 可以无缝移植到 HLSL 平台上，但是缺点是无法完全发挥 OpenGL 的新特性。

2 CG 语言基础

        1）基本数据类型

  1. float // 32位浮点数, 精度: 小数点后6位, 适用: 模型坐标、纹理uv坐标
  2. half // 16位浮点数, 精度: 小数点后3位, 适用: 模型坐标、纹理uv坐标
  3. fixed // 12位浮点数, 精度: 1/256, 适用: 光照计算、颜色
  4. int // 32位整数
  5. bool // 8位布尔数
  6. string // 字符串
  7. sampler1D, sampler2D, sampler3D, samplerCUBE, samplerRECT // 纹理对象

        补充：对于 float、half、int、fixed、bool 类型，可以在其后添加 2、3、4，以扩充维度，如：float2、int3、fixed4。

        2）Input

  1. struct Input
  2. {
  3.     float3 worldPos; // 世界坐标
  4.     float3 screenPos; // 屏幕坐标
  5.     half3 viewDir; // 观察方向, 顶点指向相机
  6.     float4 color : COLOR; // 顶点颜色, 后面的COLOR是语义绑定
  7.     fixed2 uv_MainTex; // 纹理uv坐标(命名方式必须是uv_纹理变量名称)
  8.     fixed2 uv_NormTex; // 法线纹理uv坐标(命名方式必须是uv_法线纹理变量名称)
  9. };

        说明：Input 结构体需要自定义，里面的变量可以根据需要添加。 

        3）SurfaceOutput

  1. struct SurfaceOutput
  2. {
  3.     half3 Albedo; // 反射率, 即颜色纹理rgb
  4.     half3 Normal; // 法向量
  5.     half3 Emission; // 自发光颜色rgb
  6.     half Alpha; // 透明度
  7.     half Specular; // 镜面反射度
  8.     half Gloss; // 光泽度
  9. };

         说明：SurfaceOutput 结构体是系统自定义的结构体，不需要用户定义。

        4）常用函数

  1. // 数值计算
  2. sign(x)、abs(x) // 符号、绝对值
  3. min(a, b)、max(a, b) // 最值函数
  4. ceil(x)、floor(x)、round(x) // 取整函数
  5. frac(x) // 取小数部分
  6. fmod(x, y) // 取余数
  7. rap(x) // 倒数(1/x)
  8. sqrt(x)、pow(x) // 幂函数
  9. exp(x)、exp2(x) // 指数函数(e^x、2^x)
  10. log(x)、log10(x)、log2(x) // 对数函数
  11. degrees(x)、radians(x) // 角度转换函数
  12. sin(x)、cos(x)、tan(x)、asin(x)、acos(x)、atan(x) // 三角函数
  13. sinh(x)、cosh(x)、tanh(x) // 双曲线函数
  14. saturate(x) // 将x约束在0和1之间, 超过边界就取边界值
  15. clamp(x, min, max) // 将x约束在min和max之间, 超过边界就取边界值
  16. smoothstep (min, max, x) // 平滑比例, 公式: k=saturate((x-min)/(max-min)), y=k*k*(3-2*k)
  17. lerp(a, b, f) // 插值, 公式: y=x+f*(y-x), a、b可以是向量
  18.  
  19. // 向量计算
  20. distance(pos1, pos2) // 计算pos1与pos2之间的距离
  21. length(vec) // 计算向量的模长
  22. normalize(vec) // 计算向量的单位向量
  23. dot(vec1, vec2) // 向量点乘
  24. cross(vec1, vec2) // 向量叉乘
  25. reflect(i, n) // 根据入射向量和法线向量计算反射向量
  26.  
  27. // 矩阵计算
  28. mul(M, N)、mul(M, v), mul(v, M) // M*N、M*v、v*M
  29.  
  30. // 纹理计算
  31. tex2D(sampler2D, uv_Tex) // 查询纹理坐标对应的纹理值
  32. UnpackNormal(color) // 根据法线纹理解析法线向量

3 光照

        在 Assets 窗口右键，依次选择【Create→Shader→Standard Surface Shader】创建 Shader 脚本，实现光照效果代码如下：

        SurfaceShader.shader

  1. Shader "MyShader/SurfaceShaderTest" {
  2.     Properties
  3.     {
  4.         // 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
  5.         _DiffuseColor ("漫反射颜色", Color) = (1, 0, 0, 0.5)
  6.     }
  7.  
  8.     SubShader
  9.     {
  10.         CGPROGRAM // CG语言的开始
  11.         // 编译指令 着色器类型 函数名称 光照模型 开启透明度
  12.         #pragma surface surf Lambert Alpha
  13.         // 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
  14.         fixed4 _DiffuseColor;
  15.  
  16.         struct Input
  17.         {
  18.             float4 color : COLOR; // 顶点颜色, 后面的COLOR是语义绑定
  19.         };
  20.  
  21.         void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) // 表面着色器函数
  22.         {
  23.             o.Albedo = _DiffuseColor.rgb; // 像素颜色
  24.             o.Alpha = _DiffuseColor.a; // 像素透明度
  25.         }
  26.  
  27.         ENDCG // CG语言的结束
  28.     }
  29.  
  30.     FallBack "Diffuse"
  31. }

        创建一个Material，并将 ShaderTest 绑定到该 Material 上，如下：

        将该 Material 拖拽到一个 Cube 和 Sphere 游戏对象上。选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口调整 Shader 中光照颜色，显示效果如下：

4 贴图

        SurfaceShader.shader 

  1. Shader "MyShader/SurfaceShaderTest" {
  2.     Properties
  3.     {
  4.         // 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
  5.         _MainTex ("2阶贴图", 2D) = "white" {}
  6.     }
  7.  
  8.     SubShader
  9.     {
  10.         CGPROGRAM // CG语言的开始
  11.         // 编译指令 着色器类型 函数名称 光照模型
  12.         #pragma surface surf Lambert
  13.         // 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
  14.         sampler2D _MainTex;
  15.  
  16.         struct Input
  17.         {
  18.             fixed2 uv_MainTex; // 纹理uv坐标(命名方式必须是uv_纹理变量名称)
  19.         };
  20.  
  21.         void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) // 表面着色器函数
  22.         {
  23.             o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex); // 像素颜色
  24.         }
  25.  
  26.         ENDCG // CG语言的结束
  27.     }
  28.  
  29.     FallBack "Diffuse"
  30. }

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择贴图图片，显示效果如下：

5 法线贴图

        光照的漫反射、镜面反射都是通过法线向量计算得到，法线向量经 PackNormal 函数处理后，值域映射到 [0, 1]，由于颜色与处理后的法向量维度（3维）和值域（[0, 1]）一样，因此可以用颜色描述法线向量，即用一张法线图描述原图片每个像素位置的法线，取出法线图中某位置的颜色，再通过 UnpackNormal 函数映射，即可得到对应像素位置的法线向量。

        如下，是一张原图和对应的法线图，可以看到，原图和法线图的轮廓很相似，因此美工可以通过调整原图的色相得到法线图。法线的 (x, y, z) 分量对应颜色的 (r, g, b) 分量，z 值越大，法线越偏向观察方向，法线图越偏向蓝色，这也是正视图一般偏向蓝色的原因。Unity3D 中，用户可以通过修改图片的 Texture Type 为 Normal map 生成法线图。

原图与法线图

         SurfaceShader.shader

  1. Shader "MyShader/SurfaceShaderTest" {
  2.     Properties
  3.     {
  4.         // 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
  5.         _MainTex ("2阶贴图", 2D) = "white" {}
  6.         _NormTex ("法线贴图", 2D) = "white" {}
  7.     }
  8.  
  9.     SubShader
  10.     {
  11.         CGPROGRAM // CG语言的开始
  12.         // 编译指令 着色器类型 函数名称 光照模型
  13.         #pragma surface surf Lambert
  14.  
  15.         // 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
  16.         sampler2D _MainTex;
  17.         sampler2D _NormTex;
  18.  
  19.         struct Input
  20.         {
  21.             fixed2 uv_MainTex; // 纹理uv坐标(命名方式必须是uv_纹理变量名称)
  22.             fixed2 uv_NormTex; // 法线纹理uv坐标(命名方式必须是uv_法线纹理变量名称)
  23.         };
  24.  
  25.         void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) // 表面着色器函数
  26.         {
  27.             o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb; // 像素颜色
  28.             o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormTex, IN.uv_NormTex)); // 像素法线
  29.         }
  30.  
  31.         ENDCG // CG语言的结束
  32.     }
  33.  
  34.     FallBack "Diffuse"
  35. }

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择贴图和法线图，并将该 Material 拖拽到一个 Cube 对象上，再新建一个 Cube 对象（作为对比），绑定普通的 Material，显示效果如下：

         说明：左边是法线贴图，右边是普通贴图，左边图片明显比右边更有质感。

6 自发光

        本节在法线贴图的基础上，在物体凹凸边缘添加高亮效果。物体凹凸边缘是指物体表面法线与观察方向近似垂直的地方。

         SurfaceShader.shader

  1. Shader "MyShader/SurfaceShaderTest" {
  2.     Properties
  3.     {
  4.         // 属性名 ("面板显示名称", 类型) = 默认值
  5.         _MainTex ("2阶贴图", 2D) = "white" {}
  6.         _NormTex ("法线贴图", 2D) = "white" {}
  7.         _RimColor ("自发光颜色", Color) = (1, 1, 1, 1)
  8.         _RimStrength ("自发光强度", Range(0, 5)) = 0.5
  9.     }
  10.  
  11.     SubShader
  12.     {
  13.         CGPROGRAM // CG语言的开始
  14.         // 编译指令 着色器类型 函数名称 光照模型
  15.         #pragma surface surf Lambert
  16.  
  17.         // 声明属性变量, 必须与外部属性变量名称一致
  18.         sampler2D _MainTex;
  19.         sampler2D _NormTex;
  20.         fixed4 _RimColor;
  21.         half _RimStrength;
  22.  
  23.         struct Input
  24.         {
  25.             fixed2 uv_MainTex; // 纹理uv坐标(命名方式必须是uv_纹理变量名称)
  26.             fixed2 uv_NormTex; // 法线纹理uv坐标(命名方式必须是uv_法线纹理变量名称)
  27.             half3 viewDir; // 观察方向, 顶点指向相机
  28.         };
  29.  
  30.         void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) // 表面着色器函数
  31.         {
  32.             o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb; // 像素颜色
  33.             o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_NormTex, IN.uv_NormTex)); // 像素法线
  34.             half rimPower = 1 - saturate(dot(normalize(IN.viewDir), normalize(o.Normal))); // 计算自发光系数
  35.             // o.Emission = _RimColor * _RimStrength * rimPower;
  36.             o.Emission = _RimColor * pow(rimPower, _RimStrength); // 自发光颜色
  37.         }
  38.  
  39.         ENDCG // CG语言的结束
  40.     }
  41.  
  42.     FallBack "Diffuse"
  43. }

        选中绑定的 Material，在 Inspector 窗口选择贴图和法线图，并调整自发光颜色和自发光强度，将该 Material 拖拽到一个 Cube 对象上，显示效果如下： 

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