Unity Shader 入门精要——双面渲染透明效果

Posted 2021-10-01 果冻喜之郎

在现实生活中，如果一-个物体是透明的，意味着我们不仅可以透过它看到其他物体的样子，也可以看到它内部的结构。但在前面实现的透明效果中，无论是透明度测试还是透明度混合，我们都无法观察到正方体内部及其背面的形状，导致物体看起来就好像只有半个一样。这是因为，默认情况下渲染引擎剔除了物体背面(相对于摄像机的方向)的渲染图元，而只渲染了物体的正面。如果我们想要得到双面渲染的效果，可以使用Cull指令来控制需要剔除哪个面的渲染图元。 

命令	描述
Cull Off	关闭剔除功能，所有图元都会被渲染，由于这时需要渲染的图元数目会成倍增加，一般不会用到。
Cull Back（默认）	背对摄像机的渲染图元不会被渲染
Cull Front	正对摄像机的渲染图元不会被渲染

透明度测试双面渲染：

只在Pass中加入一行代码：Cull Off

这行代码的作用是关闭剔除功能，使得该物体的所有的渲染图元都会被渲染。

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 8/Alpha Test With Both Side" {
	Properties {
		_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
		_Cutoff ("Alpha Cutoff", Range(0, 1)) = 0.5
	}
	SubShader {
		Tags {"Queue"="AlphaTest" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="TransparentCutout"}
		
		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			// Turn off culling
			Cull Off
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed _Cutoff;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
				float2 uv : TEXCOORD2;
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
				
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
				
				o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
				
				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
				
				return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
				
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);

				clip (texColor.a - _Cutoff);
				
				fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
				
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
				
				return fixed4(ambient + diffuse, 1.0);
			}
			
			ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Transparent/Cutout/VertexLit"
}

透明度混合双面渲染：

和透明度测试相比，想要让透明度混合实现双面渲染会更复杂一些，这是因为透明度混合需要关闭深度写入，想要得到正确的透明效果，渲染顺序是非常重要的——我们想要保证图元是从后往前渲染的。对于透明度测试来说，由于我们没有关闭深度写入，因此可以利用深度缓冲按逐像素的粒度进行深度排序，从而保证渲染的正确性。然而一旦关闭了 深度写入，我们就需要小心地控制渲染顺序来得到正确的深度关系。如果我们仍然直接关闭剔除功能，那么我们就无法保证同一个物体的正面和背面图元的渲染顺序，从而得到错误的半透明效果。

为此，我们选择把双面渲染的工作分成两个Pass第- 一个 Pass 只渲染背面，第二个Pass只渲染正面，由于Unity会顺序执行SubShader中的各个Pass,因此我们可以保证背面总是在正，面被渲染之前渲染，从而可以保证正确的深度渲染关系。

Shader "Unity Shaders Book/Chapter 8/Alpha Blend With Both Side" {
	Properties {
		_Color ("Color Tint", Color) = (1, 1, 1, 1)
		_MainTex ("Main Tex", 2D) = "white" {}
		_AlphaScale ("Alpha Scale", Range(0, 1)) = 1
	}
	SubShader {
		Tags {"Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}
		
		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			// First pass renders only back faces 
			Cull Front
			
			ZWrite Off
			Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed _AlphaScale;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
				float2 uv : TEXCOORD2;
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
				
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
				
				o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
				
				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
				
				return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
				
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
				
				fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
				
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
				
				return fixed4(ambient + diffuse, texColor.a * _AlphaScale);
			}
			
			ENDCG
		}
		
		Pass {
			Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
			
			// Second pass renders only front faces 
			Cull Back
			
			ZWrite Off
			Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
			
			CGPROGRAM
			
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			#include "Lighting.cginc"
			
			fixed4 _Color;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;
			fixed _AlphaScale;
			
			struct a2v {
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};
			
			struct v2f {
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
				float2 uv : TEXCOORD2;
			};
			
			v2f vert(a2v v) {
				v2f o;
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
				
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
				
				o.worldPos = mul(_Object2World, v.vertex).xyz;
				
				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
				
				return o;
			}
			
			fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
				
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex, i.uv);
				
				fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
				
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0, dot(worldNormal, worldLightDir));
				
				return fixed4(ambient + diffuse, texColor.a * _AlphaScale);
			}
			
			ENDCG
		}
	} 
	FallBack "Transparent/VertexLit"
}