UnityShader快速上手指南

Posted 2020-07-16 ghostwolfliu

简介

前一篇介绍了如果编写最基本的shader，接下来本文将会简单的深入一下，我们先来看下效果吧

呃，gif效果不好，实际效果是很平滑的动态过渡

实现思路

1.首先我们要实现一个彩色方块
2.让色彩动起来
over

实现一个RGB CUBE

先看代码吧：

Shader "LT/Lesson2"
{
    Properties {
        _OffsetX ("Offset X", Range (-1.5, 1.5) ) = 0
        _OffsetY ("Offset Y", Range (-1.5, 1.5) ) = 0
        _OffsetZ ("Offset Z", Range (-1.5, 1.5) ) = 0
    }
    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag
            #include "UnityCG.cginc" 

            struct VertextOutput {
                float4 pos : SV_POSITION ;
                fixed4 col : COLOR ;
            };

            uniform float _OffsetX;
            uniform float _OffsetY;
            uniform float _OffsetZ;

            VertextOutput vert (  appdata_base input )
            {
                VertextOutput result;
                result.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP , input.vertex ) ;
                result.col = input.vertex + float4( _OffsetX, _OffsetY, _OffsetZ, 0);
                return result;
            }

            fixed4 frag ( VertextOutput input ) : COLOR
            {
                return input.col;
            }

            ENDCG
        }
    }
}

恩~~，首先呢，我们这次输出的颜色不同的位置颜色不同，所以我们需要一个同时能存位置和颜色的结构体：

            struct VertextOutput {
                float4 pos : SV_POSITION ; 
                // 位置信息, 后面的: SV_POSITION是必须的,当然你也可以换成: POSITION
                fixed4 col : COLOR ;
                // 颜色信息, 后面的: COLOR不是必须的，你可以随便取名字比如 : FUCK
                // 但是嘛，为了代码方便阅读，还是写成COLOR吧
            };

然后呢我们只有这样一个模型：

24个顶点（每个面顶点单算的），12个三角形，两个空的UV（这个是unity自带的cube模型）
这个模型是没有任何颜色信息，所以我们需要自己在shader中生成他的颜色
出于方便考虑，我们将这个模型的顶点（XYZ）变成RGB的颜色，因为刚好三个值都有变化嘛
于是有了这样的代码
result.col = input.vertex + float4( _OffsetX, _OffsetY, _OffsetZ, 0);
前面顶点位置就不作处理了，直接换算成Unity坐标就完了
result.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP , input.vertex ) ;

然后我们来说说传入参数中的appdata_base
对于VertextOutput vert ( appdata_base input )这个函数命名
学过C语言的应该知道前面是返回值类型 括号里面是传入值类型和名字吧
然后这个appdata_base呢是定义在#include “UnityCG.cginc”的一个结构体
（强行带节奏引入了UnityCG.cginc，其实也可以像前面一篇一样使用float4 position : POSITION，只是这里为了早点引入UnityCG.cginc而已）
我们可以看一下UnityCG.cginc的部分代码:

// Dynamic & Static lightmaps contain indirect diffuse ligthing, thus ignore SH
#define UNITY_SHOULD_SAMPLE_SH ( defined (LIGHTMAP_OFF) && defined(DYNAMICLIGHTMAP_OFF) )

struct appdata_base {
    float4 vertex : POSITION;
    float3 normal : NORMAL;
    float4 texcoord : TEXCOORD0;
};

struct appdata_tan {
    float4 vertex : POSITION;
    float4 tangent : TANGENT;
    float3 normal : NORMAL;
    float4 texcoord : TEXCOORD0;
};

struct appdata_full {
    float4 vertex : POSITION;
    float4 tangent : TANGENT;
    float3 normal : NORMAL;
    float4 texcoord : TEXCOORD0;
    float4 texcoord1 : TEXCOORD1;
    float4 texcoord2 : TEXCOORD2;
    float4 texcoord3 : TEXCOORD3;
#if defined(SHADER_API_XBOX360)
    half4 texcoord4 : TEXCOORD4;
    half4 texcoord5 : TEXCOORD5;
#endif
    fixed4 color : COLOR;
};

整个有点小长,我只粘贴一部分，其实就是一大堆Unity的定义而已，
我们再来看看

struct appdata_base {
    float4 vertex : POSITION; //位置
    float3 normal : NORMAL;　//法线
    float4 texcoord : TEXCOORD0; // 纹理
};

其实这是一个简化的模型数据，包含了一些常用的参数，如果我们写的shader主要是给手机使用的话，这些数据基本也就够了，而且目前我们也就用了他的位置的信息，当然你也可以传入一个appdata_full 类型，区别不大

至于_OffsetX，_OffsetY，_OffsetZ三个外接属性的定义就不多做赘述了
然后我们就通过

            VertextOutput vert (  appdata_base input )
            {
                VertextOutput result;
                result.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP , input.vertex ) ;
                result.col = input.vertex + float4( _OffsetX, _OffsetY, _OffsetZ, 0);
                return result;
            }

计算出了相应顶点的颜色
然后直接在面片渲染函数中把对应点的颜色赋值给他就行了
return input.col;
注意这里我们的传入参数变成了vert 的返回值
fixed4 frag ( VertextOutput input ) : COLOR

好来看下初步的效果:

这里我们就完成了一个RBG CUBE了。
下面对一些原理性的东西简单解释一下

光栅化?插值?

前面我解释过vert函数是一个顶点调用一次，这里我们的模型一共才24个顶点，但是为啥出来这么多个颜色呢，这里就跟渲染流程的光栅化有关。默认情况下，光栅化会保持平滑过渡,如果两边不匹配就会在中间插值，然后对于我们的模型而言，一个面上每个顶点的颜色都不同，所以他就会自动插入很多个顶点，并且自动渐变颜色来满足平滑过渡（也就是说如果你颜色都一样，就不会插点了，当然你也可以手动不让它插点，概念比较多，这里就不展开了，我们要快速上手嘛）

让颜色随着时间变化而变化

这里是我强行要加的一个功能，不然感觉这篇blog就太少内容咯，哈哈
有两种实现方法:
1.unity中通过C#代码去控制刚才开放出来的参数
2.shader中自己通过时间去更改颜色
我们既然是学shader，当然是在shader中进行更改啦
直接上代码:

result.col = input.vertex + float4( _SinTime.w + 0.5, _SinTime.w + 0.5, _SinTime.w + 0.5, 0);

呃，对，就改这一行。效果就是实现啦，大家可以自己行试一下
下面解释一小下下:
_SinTime是unity为shader内置的一个时间的sin值得变量（看名字也看的出来吧）
需要引入#include “UnityCG.cginc” （这也是为啥我前面强行带节奏的原因）
然后来普及下Unity为我们内置了哪些东西吧:

Transformations 变换

float4x4 UNITY_MATRIX_MVP
Current model*view*projection matrix 
当前物体*视*投影矩阵。（注：物体矩阵为 本地->世界）
float4x4 UNITY_MATRIX_MV
Current model*view matrix 
当前物体*视矩阵
float4x4 UNITY_MATRIX_P
Current projection matrix 
当前物体*投影矩阵
float4x4 UNITY_MATRIX_T_MV
Transpose of model*view matrix 
转置物体*视矩阵
float4x4 UNITY_MATRIX_IT_MV 
Inverse transpose of model*view matrix 
逆转置物体*视矩阵
float4x4 UNITY_MATRIX_TEXTURE0 to UNITY_MATRIX_TEXTURE3
Texture transformation matrices 
贴图变换矩阵
float4x4 _Object2World
Current model matrix 
当前物体矩阵
float4x4 _World2Object
Inverse of current world matrix 
物体矩阵的逆矩阵
float3 _WorldSpaceCameraPos
World space position of the camera 
世界坐标空间中的摄像机位置
float4 unity_Scale
xyz components unused; .w contains scale for uniformly scaled objects. 
不适用xyz分量，而是通过w分量包含的缩放值等比缩放物体。

_ModelLightColor    float4  Material's Main * Light color 材质的主颜色*灯光颜色
_SpecularLightColor float4  Material's Specular * Light color 材质的镜面反射（高光）*灯光颜色。
_ObjectSpaceLightPos    float4  Light's position in object space. w component is 0 for directional lights, 1 for other lights 
物体空间中的灯光为，平行光w分量为零其灯光为1；
_Light2World    float4x4    Light to World space matrix 灯光转世界空间矩阵
_World2Light    float4x4    World to Light space matrix 世界转灯光空间矩阵
_Object2Light   float4x4    Object to Light space matrix 物体转灯光空间矩阵

float4 _Time : Time (t/20, t, t*2, t*3), use to animate things inside the shaders 
时间： 用于Shasder中可动画的地方。
float4 _SinTime : Sine of time: (t/8, t/4, t/2, t) 
时间的正弦值。
float4 _CosTime : Cosine of time: (t/8, t/4, t/2, t) 
时间的余弦值
float4 _ProjectionParams : 投影参数
x is 1.0 or -1.0, negative if currently rendering with a flipped projection matrix 
x为1.0 或者-1.0如果当前渲染使用的是一个反转的投影矩阵那么为负。 
y is camera's near plane y是摄像机的近剪裁平面
z is camera's far plane z是摄像机远剪裁平面
w is 1/FarPlane. w是1/远剪裁平面
float4 _ScreenParams : 屏幕参数
x is current render target width in pixels x是当前渲染目标在像素值中宽度
y is current render target height in pixels y是当前渲染目标在像素值中的高度
z is 1.0 + 1.0/width z是1.0+1.0/宽度
w is 1.0 + 1.0/height w是1.0+1.0/高度

呃，格式不是很好看的样子，这里有链接，自己去看吧http://www.ceeger.com/Components/SL-BuiltinValues.html
有了这些东西之后呢，我们就可以简单的根据时间变化做一些动态shader了，比如什么UV流动啊，颜色动态变化啊，动态模型（是动态模型不是模型动画哈）啥的，瞬间就高大上了有不有，性能嘛取决于你写的代码（同样的代码级别下，shader速度秒杀你在c#中写）

总结

这一篇感觉写的比较乱，主要是知识点比较杂（这理由不是很好找啊….原谅我语文老师是数学老师教大的）
主要知识点是介绍一下光栅化那个插值，这个很重要https://en.wikibooks.org/wiki/Cg_Programming/Rasterization（虽然我讲的一笔带过，大家去看看官方解释吧）
然后介绍一下UnityCG.cginc，我们既然是写的unityshader，当然还是要经常使用这个库的啦，后面还有光照，空间矩阵啥的，基本我们要想做高级特效离不开这个库的，大家可以去看看这个库源码
了解了这些之后，就是单纯的算法了（比如怎么通过时间更改模型顶点位置实现好看的动画啥的）
恩~~~再次坦白下写的比较乱，如有疑问欢迎联系QQ：821580467一起探讨