【Unity SurfaceShader】学习笔记（一）认识结构

2024-02-14 00:58
文章标签 学习 笔记 认识 结构 unity surfaceshader

本文主要是介绍【Unity SurfaceShader】学习笔记（一）认识结构，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

创建SurfaceShader

1. 新建Unity Project。
2. 在Assets文件夹下新建三个文件夹：Materials、Shaders、Textures。
3. 在Shaders文件夹下右键，Create-Shader-Standard Surface Shader，命名为MySurfaceShader。
4. 在Materials文件夹下新建Material，命名为MySurfaceShader，将它的Shader改为新建的Shader。
5. 新建一个Cube，将新建的材质赋给它。

如果你使用的是低于5.3的版本，你的右键菜单里不会有那么多种Shader，直接创建就好。直接创建的Shader代码和Standard Surface Shader不同，其实就是比Standard Surface Shader更为简化一点，听了解释你就会明白。
右键菜单里总共有四种Shader，分别是Standard Surface Shader、Unlit Shader、ImageEffect Shader、Compute Shader。
Unlit Shader和ImageEffect Shader都是Vertex&Fragment Shader，Compute Shader上一篇文章里讲过。

让我们打开MySurfaceShader看一看。

Shader "Custom/MySurfaceShader" {Properties {_Color ("Color", Color) = (1,1,1,1)_MainTex ("Albedo (RGB)", 2D) = "white" {}_Glossiness ("Smoothness", Range(0,1)) = 0.5_Metallic ("Metallic", Range(0,1)) = 0.0}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 200CGPROGRAM// Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types#pragma surface surf Standard fullforwardshadows// Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting#pragma target 3.0sampler2D _MainTex;struct Input {float2 uv_MainTex;};half _Glossiness;half _Metallic;fixed4 _Color;void surf (Input IN, inout SurfaceOutputStandard o) {// Albedo comes from a texture tinted by colorfixed4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex) * _Color;o.Albedo = c.rgb;// Metallic and smoothness come from slider variableso.Metallic = _Metallic;o.Smoothness = _Glossiness;o.Alpha = c.a;}ENDCG}FallBack "Diffuse"
}

  1. 第一行代码定义的是Shader在Unity里的路径，在Material的Shader选项的下拉列表里可以看到它，你随时都可以修改它。

  2. 最后一行表示前面的着色程序显卡不支持的时候就用默认的“Diffuse”。

  3. Properties括号里的东西就是Shader的属性，打开Material的Inspector，你可以看见他们。语法就是：
    变量名 （“检视面板里显示的名称”， 变量类型）= 默认值
    注意啦，没有分号的。
    这是Unity官网对Properties的介绍。
    Unity支持的Properties类型如下：

Color ：颜色 Inspector面板里会有一个选取颜色的picker
Range ：某范围内的浮点数 Inspector面板里会出现一个Slider
2D ：2D纹理
Rect ：创建非2次方边长的纹理
Cube ：创建Cube Map，也是一种纹理
Float ：浮点数，和Range的区别就是Range是一个范围内的数，Float是单个数
Vector：向量 定义一个四元素的容器

  1. SubShader是子着色器。Tags{}是标签。LOD是Level of Detail的缩写。Tag标签里通常可以指定“Queque”和“RenderType”的值。“Queque”指渲染顺序，有一些预定义的值，比如“BackGround”、“Geometry”等，可以自定义。“RenderType”是渲染类型，不透明物体用“Opaque”，透明物体用“Transparent”，还有一些其他的预定义的值，也可以自定义。

  2. CGPROGRAM和ENDCG里面是CG程序。

  3. #pragma surface surf Standard fullforwardshadowssurface说明是surface shader，可以换成Vertex或Fragment，surf是表面处理函数，在代码段的下面就有一个surf函数。Standard fullforwardshadows是光照模型函数。

  4. #pragma target 3.0设置编译目标Shader model的版本。

 后面surf函数里的东西就是重点啦。
在surf函数的上面，将properties里的变量用相同的名称定义一遍。还有一个Input结构体，这是输入结构。
来看看surf函数里都做了什么吧。
先定义了一个4元的定点数c，tex2D是纹理采样函数，第一个参数是纹理，第二个参数是uv坐标，函数的返回值乘以颜色。o这个变量就是着色器会输出的变量，也就是存储着我们眼睛会看到的效果的变量。后面的语句的意思就是将各个值赋给o里的不同值。rgb就是RGB颜色，Albedo是反射值，Metalic是金属值，Smoothness是光滑值，Alpha是透明通道。其实英语好就能看懂这些变量的意思了。（原谅我的翻译）
如果是低于5.3的版本，o 变量的类型是SurfaceOutPut，这两种类型意思是一样的，只不过是不同的结构体。
如果是Standard fullforwardshadows光照模型，则对应用SurfaceOutputStandard，如果是Lambert光照模型（其他版本Unity默认的光照模型），则对应SurfaceOutput。
这就是一个surface shader程序的基本结构。

两个结构体和CG类型

我们在程序里看到了Sampler2D、float2、half、fixed4几个类型，是不是觉得有些眼熟？C语言里有float这个类型，那这个float2是什么类型？听我详细道来：
CG支持7种数据类型：

float 32位浮点数
half  16位浮点数
int   32位整型数
fixed 12位定点数
bool  布尔数据
sampler 纹理对象的句柄，公有sampler, sampler1D, sampler2D, sampler3D, samplerCUBE, 和 samplerRECT 六种
string 字符，其实没有必要在CG中用到字符
向量类型 float2就是2元的float类型的向量，fixed4就是4元的fixed类型的向量
向量最长不超过4元

此外，CG还支持矩阵数据类型，比如：

float2×4 matrix;  // 表示2×4阶矩阵，包含8个float类型数据

那么定义变量的时候怎么知道该用哪种类型呢？有个简单的记忆原则：

  • 精度够用就好

  • 颜色和单位向量，使用fixed

  • 其他情况，尽量使用half（即范围在[-6万, +6万]内、精确到小数点后3.3位）；否则才使用float。

下面介绍surface shader的输入输出结构：
输入结构就是存储输入的信息，输出结构就是存储要输出的信息，也就是我们的眼睛会看见的效果。
输入结构通常是这样的：

struct Input
{float2 uv_MainTex;
}

里面保存着纹理坐标。纹理坐标必须命名为“uv”+"纹理名称"，uv_MainTex就是名为_MainTex的纹理的uv坐标。

Input中还可以放入额外的变量，比如下面几种：

float3 viewDir - will contain view direction, for computing Parallax effects, rim lighting etc.
为了计算视差、边缘光照等效果，Input需要包含视图方向。float4 screenPos - will contain screen space position for reflection effects. Used by WetStreet shader in Dark Unity for example.
屏幕坐标。 为了获得反射效果，需要包含屏幕坐标。比如在Dark Unity例子中所使用的 WetStreet着色器。float3 worldPos - will contain world space position.
世界坐标。float3 worldRefl - will contain world reflection vector if surface shader does not write to o.Normal. See Reflect-Diffuse shader for example.
世界中的反射向量。如果表面着色不写入o.Normal, 将包含世界反射向量。 float3 worldNormal - will contain world normal vector if surface shader does not write to o.Normal.
世界中的法线向量。如果表面着色器不写入法线(o.Normal)参数，将包含这个参数。float3 worldRefl - will contain world reflection vector if surface shader writes to o.Normal. To get the reflection vector based on per-pixel normal map, use WorldReflectionVector (IN, o.Normal). 
世界反射向量。如果表面着色写入到o.Normal，将包含世界反射向量 。为了得到基于每个像素的法线贴图的反射向量, 使用WorldReflectionVector的（IN输入, o.Normal）。float3 worldNormal - will contain world normal vector if surface shader writes to o.Normal. To get the normal vector based on per-pixel normal map, use WorldNormalVector (IN, o.Normal).
世界法线向量。如果表面着色写入到o.Normal， 将包含世界法线向量。为了得到基于每个像素的法线贴图的法线向量，请使用世界法线向量（(IN输入, o.Normal）
float3 viewDir - will contain view direction, for computing Parallax effects, rim lighting etc.
为了计算视差、边缘光照等效果，Input需要包含视图方向。float4 screenPos - will contain screen space position for reflection effects. Used by WetStreet shader in Dark Unity for example.
屏幕坐标。 为了获得反射效果，需要包含屏幕坐标。比如在Dark Unity例子中所使用的 WetStreet着色器。float3 worldPos - will contain world space position.
世界坐标。float3 worldRefl - will contain world reflection vector if surface shader does not write to o.Normal. See Reflect-Diffuse shader for example.
世界中的反射向量。如果表面着色不写入o.Normal, 将包含世界反射向量。 float3 worldNormal - will contain world normal vector if surface shader does not write to o.Normal.
世界中的法线向量。如果表面着色器不写入法线(o.Normal)参数，将包含这个参数。float3 worldRefl - will contain world reflection vector if surface shader writes to o.Normal. To get the reflection vector based on per-pixel 
normal map, use WorldReflectionVector (IN, o.Normal). 
世界反射向量。如果表面着色写入到o.Normal，将包含世界反射向量 。为了得到基于每个像素的法线贴图的反射向量, 使用WorldReflectionVector的（IN输入, o.Normal）。float3 worldNormal - will contain world normal vector if surface shader writes to o.Normal. To get the normal vector based on per-pixel normal 
map, use WorldNormalVector (IN, o.Normal).
世界法线向量。如果表面着色写入到o.Normal， 将包含世界法线向量。为了得到基于每个像素的法线贴图的法线向量，请使用世界法线向量（(IN输入, o.Normal）
float3 viewDir - will contain view direction, for computing Parallax effects, rim lighting etc.
为了计算视差、边缘光照等效果，Input需要包含视图方向。float4 screenPos - will contain screen space position for reflection effects. Used by WetStreet shader in Dark Unity for example.
屏幕坐标。 为了获得反射效果，需要包含屏幕坐标。比如在Dark Unity例子中所使用的 WetStreet着色器。float3 worldPos - will contain world space position.
世界坐标。float3 worldRefl - will contain world reflection vector if surface shader does not write to o.Normal. See Reflect-Diffuse shader for example.
世界中的反射向量。如果表面着色不写入o.Normal, 将包含世界反射向量。 float3 worldNormal - will contain world normal vector if surface shader does not write to o.Normal.
世界中的法线向量。如果表面着色器不写入法线(o.Normal)参数，将包含这个参数。float3 worldRefl - will contain world reflection vector if surface shader writes to o.Normal. To get the reflection vector based on per-pixel normal map, use WorldReflectionVector (IN, o.Normal). 
世界反射向量。如果表面着色写入到o.Normal，将包含世界反射向量 。为了得到基于每个像素的法线贴图的反射向量, 使用WorldReflectionVector的（IN输入, o.Normal）。float3 worldNormal - will contain world normal vector if surface shader writes to o.Normal. To get the normal vector based on per-pixel normal map, use WorldNormalVector (IN, o.Normal).
世界法线向量。如果表面着色写入到o.Normal， 将包含世界法线向量。为了得到基于每个像素的法线贴图的法线向量，请使用世界法线向量（(IN输入, o.Normal）

surface shader的默认的几种输出结构如下，输出结构也是可以自定义的。

struct SurfaceOutput
{fixed3 Albedo;  // 漫反射颜色fixed3 Normal;  // 切线空间法线，如果赋值的话fixed3 Emission; // 自发光颜色half Specular;  // 高光强度，范围是0-1fixed Gloss;    // specular intensityfixed Alpha;    // 透明度
};

struct SurfaceOutputStandard
{fixed3 Albedo;      // 基础 (漫反射或镜面反射) 颜色fixed3 Normal;      // 切线空间法线，如果赋值的话half3 Emission;     // 自发光颜色half Metallic;      // 0=非金属, 1=金属half Smoothness;    // 0=粗糙, 1=光滑half Occlusion;     // 遮挡(默认1)fixed Alpha;        // 透明度
};

struct SurfaceOutputStandardSpecular
{fixed3 Albedo;      // 漫反射颜色fixed3 Specular;    // 镜面反射颜色fixed3 Normal;      // 切线空间法线，如果赋值的话half3 Emission;     // 自发光颜色half Smoothness;    // 0=粗糙, 1=光滑half Occlusion;     // 遮挡(默认1)fixed Alpha;        // 透明度
};

BasicDiffuse和HalfLambert

新建一个Shader，命名为BasicDiffuse。

先将修改Properties里的内容：

Properties {_EmissiveColor ("Emissive Color", Color) = (1,1,1,1)_AmbientColor ("Ambient Color", Color) = (1,1,1,1)_MySliderValue ("This is a Slider", Range(0,10)) = 2.5}

将#pragma surface surf Standard fullforwardshadows改为：

#pragma surface surf BasicDiffuse

这说明我们要用BasicDiffuse光照模型，这是我们自定义的一个光照模型。

定义在Properties里声明过的变量：

float4 _EmissiveColor;
float4 _AmbientColor;
float _MySliderValue;

修改你的surf函数：

void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o){float4 c;c = pow((_EmissiveColor+_AmbientColor), _MySliderValue);o.Albedo = c.rgb;o.Alpha = c.a;
}

注意输出结构的类型，做了修改。

添加下面这个函数，这就是我们自定义的光照模型：

inline float4 LightingBasicDiffuse (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten){float difLight = max(0, dot (s.Normal, lightDir));float4 col;col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (difLight * atten * 2);col.a = s.Alpha;return col;
}

解释

  1. 在surf函数里，我们将自发光颜色和漫反射颜色相加的和作为底数，然后将_MySliderValue的值作为次幂，进行幂运算得到四元浮点向量c，输出的反射值等于c的RGB颜色，输出的透明通道等于c的透明通道。这其实就是将自发光颜色和漫反射颜色进行了一定的混合。

  2. 自定义的光照模型的命名规则是“Lighting”+“自定义的光照名称”。这样就定义了一个光照模型。
    光照模型有5种原型：

    half4 LightingName (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, half atten);
half4 LightingName (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed3 viewDir, half atten);
half4 LightingName_PrePass (SurfaceOutput s, half4 light);
half4 LightingName_DirLightmap(SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, bool surfFuncWritesNormal);
half4 LightingName_DirLightmap(SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, fixed3 viewDir, bool surfFuncWritesNormal,out half3 specColor);

    这里我们用的就是第一种原型。第一个参数是输出结构，第二个参数是光线方向，也就是光源到物体表面上的点的向量，是单位向量，第三个参数衰减度，attenuation的缩写，因为光线被物体反射之后，会有能量损失，所以会有衰减。我们看到，这个参数没有被赋值，所以它是Unity内置的一个参数，我们知道它表示衰减就可以了。
    函数里第一句计算的是漫反射的光强。dot是点乘。将表面的法向量和光线角度点乘，也就是光线和法向量的夹角越大，光线在法向量方向的分量越小，即反射的光越弱。因为夹角超过90度的时候，是负值，所以用max函数使结果大于0。max(x,y)就是取x,y中的最大值。
    第三句的意思就是颜色值=反射值×平行光的颜色×漫反射光强×衰减度×2.
    _LightColor0也是Unity内置的一个变量，它在不同的render path和pass里的意义不同，在这里就是平行光的颜色。
    后面的这个2应该是个经验数值，可以根据自己想要的效果修改。
    这就是基本漫反射的计算方法。
    我们来看一下它的效果：
    新建一个Sphere，将BasicDiffuse材质赋给它。将Slider的数值调为0.不出意外的话，你看到的效果是这样的：

    enter description here


    更改自发光的颜色，然后调节Slider，我们发现，Slider数值越大，自发光颜色越明显：

    enter description here

    enter description here


    现在将自发光改回白色，更改漫反射的颜色，然后调节Slider：
    不出意外的话，看到的效果和自发光一样，Slider=0时，阴影是灰色的，自发光和漫反射的颜色不起作用，数值越大，则自发光和漫反射的颜色越明显。
    接下来，同时更改自发光和漫反射的颜色，比如红色和绿色，我们看到球变成了黄色，也就是红光和绿光混合的效果：

    enter description here


    你还可以自己再调节其他颜色试试看，看看都会有些什么效果。
    还有那个函数里的数值2，你也可以改改试试看哟~

HalfLambert

接下来再学习一个经典的光照模型——HalfLambert（半兰伯特）。
很简单，我们先把光照模型改名为HalfLambert，也就是修改光照函数和#pragma。
先修改一句：

float difLight = dot (s.Normal, lightDir);

然后添加一句：

float hLambert = 0.5 * difLight + 0.5;

再改一句：

 col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (hLambert * atten * 2);

原先difLight区间[-1,0]的部分变成了[0,0.5]，如果直接用max函数使结果大于0的话，小于0的部分都会等于0，也就是背光面都会是黑色。如果用半兰伯特公式的话，小于0的部分就会从0渐变到0.5，颜色的灰度是会有变化。同时，亮部的亮度也提高了。
HalfLambert是由Valve公司提出的技术，是一种用于在低光照区域照亮物体的技术。它用来防止某个物体的背光面丢失形状并且显得太过平面化。这个技术是没有任何物理原理的，是一种感性的视觉增强。

附：代码清单

Shader "Custom/BasicDiffuse" {Properties {_EmissiveColor ("Emissive Color", Color) = (1,1,1,1)_AmbientColor ("Ambient Color", Color) = (1,1,1,1)_MySliderValue ("This is a Slider", Range(0,10)) = 2.5}SubShader {Tags { "RenderType"="Opaque" }LOD 200CGPROGRAM// Physically based Standard lighting model, and enable shadows on all light types#pragma surface surf BasicDiffuse// Use shader model 3.0 target, to get nicer looking lighting#pragma target 3.0float4 _EmissiveColor;float4 _AmbientColor;float _MySliderValue;struct Input{float2 uv_MainTex;};void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o){float4 c;c = pow((_EmissiveColor+_AmbientColor), _MySliderValue);o.Albedo = c.rgb;o.Alpha = c.a;}inline float4 LightingBasicDiffuse (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten){float difLight = max(0, dot (s.Normal, lightDir));float4 col;col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (difLight * atten * 2);col.a = s.Alpha;return col;}ENDCG}FallBack "Diffuse"
}

HalfLambert光照模型函数：

inline float4 LightingHalfLambert (SurfaceOutput s, fixed3 lightDir, fixed atten){float difLight = dot (s.Normal, lightDir);float hLambert = 0.5 * difLight + 0.5;float4 col;col.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (hLambert * atten * 2);col.a = s.Alpha;return col;
}

这篇关于【Unity SurfaceShader】学习笔记（一）认识结构的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/707087。

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