Unity3D Shader编程之二 雪山飞狐篇:Unity的基本Shader框架写法&颜色光照与材质

Posted 浅墨_毛星云

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Unity3D Shader编程之二 雪山飞狐篇:Unity的基本Shader框架写法&颜色光照与材质相关的知识,希望对你有一定的参考价值。



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作者:毛星云(浅墨)    微博:http://weibo.com/u/1723155442

邮箱: happylifemxy@163.com


 

 

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:


 

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:


 

来一张近距离:

 

 

 

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~

 

点击这里,下载此“雪山飞狐”场景的exe。

 

另外提醒,场景unity源文件和源代码在末尾提供下载。

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:

 


【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:

 

Shader "浅墨Shader编程/0.Shader框架示例"

       //-------------------------------【属性】-----------------------------------------
       Properties
       
              //纹理
              _MainTex("基本纹理",2D)="White"TexGen ObjectLinear     
       
 
       //---------------------------------【子着色器1】----------------------------------
       SubShader
       
              //----------------通道---------------
              Pass
              
                     //设置纹理为属性中选择的纹理
                     SetTexture[_MainTex]combine texture
              
 
       
 
       //---------------------------------【备胎】----------------------------------------
       //备胎设为Unity自带的普通漫反射
       Fallback" Diffuse "


 

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

 

Shader "浅墨Shader编程/SimpleWater"

       Properties
              //properties for water shader
              //水着色器的属性
              _WaveScale("Wave scale", Range (0.02,0.15)) = 0.07 // 滑动条
              _ReflDistort("Reflection distort", Range (0,1.5)) = 0.5
              _RefrDistort("Refraction distort", Range (0,1.5)) = 0.4
              _RefrColor("Refraction color", Color)  =(.34, .85, .92, 1) // 颜色
              _ReflectionTex("Environment Reflection", 2D) = ""  // 纹理
              _RefractionTex("Environment Refraction", 2D) = "" 
              _Fresnel("Fresnel (A) ", 2D) = "" 
              _BumpMap("Bumpmap (RGB) ", 2D) = "" 
       
 //后续代码省略
………
 



 



 

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。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)。


 

 



 

七、Shader书写实战




上面讲了一堆一堆的概念,估计大家一遍看下来头都大了。没关系,让我们看一些示例Shader的写法,弄清楚上面这一堆堆的概念是如何应用的。

 



1.单色Shader


首先,用上文讲到的Color命令,写出一个有效代码仅仅四行的袖珍Shader:

Shader"浅墨Shader编程/1.基础单色"

	//---------------------------------【子着色器】----------------------------------
	SubShader
	
		//----------------通道---------------
		Pass
		
			//设为蓝色单色
			Color(0,0,0.6,0)
		
	



此Shader编译后赋给材质的效果如下:

 

 

 

 

2.材质颜色&开启光照的Shader


同样的,我们可以在Pass中加上材质块Material,在其中将将材质的漫反射和环境光反射颜色设为相同,并且在该Pass中开启光照:

 

Shader"浅墨Shader编程/2.材质颜色设置&开启光照"

	//---------------------------------【子着色器1】----------------------------------
	SubShader
		
		//----------------通道---------------
		Pass
		
			//----------材质------------
			Material
			
				//将漫反射和环境光反射颜色设为相同
				Diffuse(0.9,0.5,0.4,1)
				Ambient(0.9,0.5,0.4,1)
			
			//开启光照
			Lighting On
		
	


此Shader编译后赋给材质的效果如下:

 

 

 

 

 

3.可调漫反射光的Shader


在上面Shader的基础上,我们引入一个color属性,于是就得到了如下可调漫反射光颜色的Shader:

 

Shader "浅墨Shader编程/3.简单的可调漫反射光照"
 
	//-------------------------------【属性】-----------------------------------------
    Properties 
	
        _MainColor ("主颜色", Color) = (1,.1,.5,1)
	
    

	//---------------------------------【子着色器】----------------------------------
    SubShader 
	
		//----------------通道---------------
        Pass 
		
			//-----------材质------------
            Material 
			
				//可调节的漫反射光和环境光反射颜色
                Diffuse [_MainColor]
				Ambient[_MainColor]
            
            Lighting On
        
    





此Shader编译后赋给材质的效果如下:

 

 

 

 



4.光照材质完备beta版Shader

 


 我们把余下的Material属性补上,便有了此光照材质完备beta版的shader:

 

Shader "浅墨Shader编程/4.光照材质完备beta版Shader" 

	//-------------------------------【属性】-----------------------------------------
    Properties
	
        _Color ("主颜色", Color) = (1,1,1,0)
        _SpecColor ("反射高光颜色", Color) = (1,1,1,1)
        _Emission ("自发光颜色", Color) = (0,0,0,0)
        _Shininess ("光泽度", Range (0.01, 1)) = 0.7
    

	//---------------------------------【子着色器】----------------------------------
    SubShader 
	
		//----------------通道---------------
        Pass 
		
			//-----------材质------------
            Material 
			
				//可调节的漫反射光和环境光反射颜色
                Diffuse [_Color]
                Ambient [_Color]
				//光泽度
                Shininess [_Shininess]
				//高光颜色
                Specu

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