Unity Shader编程之十四 边缘发光Shader(Rim Shader)的两种实现形态

Posted 浅墨_毛星云

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文章链接： http://blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/51764028
作者：毛星云（浅墨）    微博：http://weibo.com/u/1723155442
本文工程使用的Unity3D版本： 5.2.1 



这篇文章主要讲解了如何在Unity3D中分别使用Surface Shader和Vertex & Fragment Shader来编写边缘发光Shader。

 



一、最终实现的效果

 


边缘发光Shader比较直观的一个运用便是模拟宇宙中的星球效果。将本文实现的边缘发光Shader先赋一个Material，此Material再赋给一个球体，加上Galaxy Skybox， 实现的效果如下图：

 


当然，边缘发光Shader也可以实现例如暗黑三中精英怪的高亮效果，将一个怪物模型本身的Shader用边缘发光Shader替代，实现效果如下图：

 

以下是本文实现的Shader在编辑器中的一些效果图。

        

   





二、Shader实现思路分析

 


思路方面，其实理解起来非常简单，就是在正常的漫反射Shader的基础之上，在最终的漫反射颜色值出来之后，再准备一个自发光颜色值，附加上去，即得到了最终的带自发光的颜色值。

按公式来表达，也就是这样：

 

最终颜色 = （漫反射系数 x 纹理颜色 x RGB颜色）+自发光颜色

 

按英文公式来表达，也就是这样：


FinalColor=(Diffuse x Texture x RGBColor)+Emissive

 

 

 

 

 

三、Surface Shader版边缘发光Shader实现



如果读过这个系列第一篇文章的朋友，应该还记得这个系列的第一篇文章（传送门：http://blog.csdn.net/poem_qianmo/article/details/40723789），里面的TheFirstShader，它就是一个标准的使用Unity Surface Shader实现的边缘发光Shader。

利用Unity自身的Shader封装，Surface Shader，也就是Shaderlab，算是新手或者想快速上手的童鞋学习Unity中Shader书写的一个非常好的切入点。

这边贴出经过加强的第一期TheFirstShader详细注释后的源代码。可以发现里面关于主要框架的注释都是中英双语的，因为发现不少国外友人也关注了我在Github上的Shader repo（https://github.com/QianMo/Awesome-Unity-Shader），为了方便他们以及后面更多的国外友人，以后如果周末写博客的时间充裕，就干脆写中英双语的注释得了。

OK，详细注释后的Surface Shader版可发光Shader源代码如下：

Shader "Learning Unity Shader/Lecture 14/Surface Rim Shader"
{
	//-----------------------------------【属性 || Properties】------------------------------------------  
	Properties
	{
		//主颜色 || Main Color
		_MainColor("【主颜色】Main Color", Color) = (0.5,0.5,0.5,1)
		//漫反射纹理 || Diffuse Texture
		_MainTex("【纹理】Texture", 2D) = "white" {}
		//凹凸纹理 || Bump Texture
		_BumpMap("【凹凸纹理】Bumpmap", 2D) = "bump" {}
		//边缘发光颜色 || Rim Color
		_RimColor("【边缘发光颜色】Rim Color", Color) = (0.17,0.36,0.81,0.0)
		//边缘发光强度 ||Rim Power
		_RimPower("【边缘颜色强度】Rim Power", Range(0.6,36.0)) = 8.0
		//边缘发光强度系数 || Rim Intensity Factor
		_RimIntensity("【边缘颜色强度系数】Rim Intensity", Range(0.0,100.0)) = 1.0
	}

	//----------------------------------【子着色器 || SubShader】---------------------------------------  
	SubShader
	{
		//渲染类型为Opaque，不透明 || RenderType Opaque
		Tags
		{
			"RenderType" = "Opaque" 
		}

		//-------------------------开启CG着色器编程语言段 || Begin CG Programming Part---------------------- 
		CGPROGRAM

			//【1】声明使用兰伯特光照模式 ||Using the Lambert light mode
			#pragma surface surf Lambert  

			//【2】定义输入结构 ||  Input Struct
			struct Input
			{
				//纹理贴图 || Texture
				float2 uv_MainTex;
				//法线贴图 || Bump Texture
				float2 uv_BumpMap;
				//观察方向 || Observation direction
				float3 viewDir;  
			};

			//【3】变量声明 || Variable Declaration
			//边缘颜色
			float4 _MainColor;
			//主纹理
			sampler2D _MainTex;  
			//凹凸纹理  
			sampler2D _BumpMap;
			//边缘颜色
			float4 _RimColor;
			//边缘颜色强度
			float _RimPower;
			//边缘颜色强度
			float _RimIntensity;

			//【4】表面着色函数的编写 || Writing the surface shader function
			void surf(Input IN, inout SurfaceOutput o)
			{
				//表面反射颜色为纹理颜色  
				o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb*_MainColor.rgb;
				//表面法线为凹凸纹理的颜色  
				o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
				//边缘颜色  
				half rim = 1.0 - saturate(dot(normalize(IN.viewDir), o.Normal));
				//计算出边缘颜色强度系数  
				o.Emission = _RimColor.rgb * pow(rim, _RimPower)*_RimIntensity;
			}

		//-------------------结束CG着色器编程语言段 || End CG Programming Part------------------  
		ENDCG
	}

		//后备着色器为普通漫反射 || Fallback use Diffuse
		Fallback "Diffuse"
}

 

稍微琢磨一下就明白，此Shader其实就是用利用了Unity5中封装好的Standard Surface Output结构体中的Emission（自发光）属性，来达到这样的边缘光效果，技术含量很有限。这边附一下Unity5中的SurfaceOutputStandard原型：

 

// Unity5 SurfaceOutputStandard原型：
struct SurfaceOutputStandard
{
	fixed3 Albedo;                  // 漫反射颜色
	fixed3 Normal;                  // 切线空间法线
	half3 Emission;                 //自发光
	half Metallic;                    // 金属度；取0为非金属, 取1为金属
	half Smoothness;             // 光泽度；取0为非常粗糙, 取1为非常光滑
	half Occlusion;                 // 遮挡(默认值为1)
	fixed Alpha;                      // 透明度
};


将此Shader赋给Material后在编辑器效果图：




 

 里面有6个参数，包括主颜色、纹理、凹凸纹理、边缘发光颜色、边缘颜色强度、边缘颜色强度系数这六个参数可以定制与调节，只要贴图资源到位，就很容易可以调出自己满意的效果来。



 

 


四、可编程Shader版边缘发光Shader的实现



这篇文章核心主要就是实现本节的这个可编程版（也就是Vertex & Fragment Shader）边缘发光Shader。大家知道，Vertex & Fragment Shader是比Surface Shader更高一段位的实现形态，有更大的可控性，更好的可编程性，可以实现更加丰富的效果，是更贴近CG着色语言的一种Shader形态。

OK，直接贴出经过详细注释的Vertex & Fragment Shader版边缘发光Shader实现源代码：

 

Shader "Learning Unity Shader/Lecture 14/Basic Rim Shader" 
{
	//-----------------------------------【属性 || Properties】------------------------------------------  
	Properties
	{
		//主颜色 || Main Color
		_MainColor("【主颜色】Main Color", Color) = (0.5,0.5,0.5,1)
		//漫反射纹理 || Diffuse Texture
		_TextureDiffuse("【漫反射纹理】Texture Diffuse", 2D) = "white" {}	
		//边缘发光颜色 || Rim Color
		_RimColor("【边缘发光颜色】Rim Color", Color) = (0.5,0.5,0.5,1)
		//边缘发光强度 ||Rim Power
		_RimPower("【边缘发光强度】Rim Power", Range(0.0, 36)) = 0.1
		//边缘发光强度系数 || Rim Intensity Factor
		_RimIntensity("【边缘发光强度系数】Rim Intensity", Range(0.0, 100)) = 3
	}

	//----------------------------------【子着色器 || SubShader】---------------------------------------  
	SubShader
	{
		//渲染类型为Opaque，不透明 || RenderType Opaque
		Tags
		{
			"RenderType" = "Opaque"
		}

		//---------------------------------------【唯一的通道 || Pass】------------------------------------
		Pass
		{
			//设定通道名称 || Set Pass Name
			Name "ForwardBase"

			//设置光照模式 || LightMode ForwardBase
			Tags
			{
				"LightMode" = "ForwardBase"
			}

			//-------------------------开启CG着色器编程语言段 || Begin CG Programming Part----------------------  
			CGPROGRAM

				//【1】指定顶点和片段着色函数名称 || Set the name of vertex and fragment shader function
				#pragma vertex vert
				#pragma fragment frag

				//【2】头文件包含 || include
				#include "UnityCG.cginc"
				#include "AutoLight.cginc"

				//【3】指定Shader Model 3.0 || Set Shader Model 3.0
				#pragma target 3.0

				//【4】变量声明 || Variable Declaration
				//系统光照颜色
				uniform float4 _LightColor0;
				//主颜色
				uniform float4 _MainColor;
				//漫反射纹理
				uniform sampler2D _TextureDiffuse; 
				//漫反射纹理_ST后缀版
				uniform float4 _TextureDiffuse_ST;
				//边缘光颜色
				uniform float4 _RimColor;
				//边缘光强度
				uniform float _RimPower;
				//边缘光强度系数
				uniform float _RimIntensity;

				//【5】顶点输入结构体 || Vertex Input Struct
				struct VertexInput 
				{
					//顶点位置 || Vertex position
					float4 vertex : POSITION;
					//法线向量坐标 || Normal vector coordinates
					float3 normal : NORMAL;
					//一级纹理坐标 || Primary texture coordinates
					float4 texcoord : TEXCOORD0;
				};

				//【6】顶点输出结构体 || Vertex Output Struct
				struct VertexOutput 
				{
					//像素位置 || Pixel position
					float4 pos : SV_POSITION;
					//一级纹理坐标 || Primary texture coordinates
					float4 texcoord : TEXCOORD0;
					//法线向量坐标 || Normal vector coordinates
					float3 normal : NORMAL;
					//世界空间中的坐标位置 || Coordinate position in world space
					float4 posWorld : TEXCOORD1;
					//创建光源坐标,用于内置的光照 || Function in AutoLight.cginc to create light coordinates
					LIGHTING_COORDS(3,4)
				};

				//【7】顶点着色函数 || Vertex Shader Function
				VertexOutput vert(VertexInput v) 
				{
					//【1】声明一个顶点输出结构对象 || Declares a vertex output structure object
					VertexOutput o;

					//【2】填充此输出结构 || Fill the output structure
					//将输入纹理坐标赋值给输出纹理坐标
					o.texcoord = v.texcoord;
					//获取顶点在世界空间中的法线向量坐标  
					o.normal = mul(float4(v.normal,0), _World2Object).xyz;
					//获得顶点在世界空间中的位置坐标  
					o.posWorld = mul(_Object2World, v.vertex);
					//获取像素位置
					o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);

					//【3】返回此输出结构对象  || Returns the output structure
					return o;
				}

				//【8】片段着色函数 || Fragment Shader Function
				fixed4 frag(VertexOutput i) : COLOR
				{
					//【8.1】方向参数准备 || Direction
					//视角方向
					float3 ViewDirection = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.posWorld.xyz);
					//法线方向
					float3 Normalection = normalize(i.normal);
					//光照方向
					float3 LightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

					//【8.2】计算光照的衰减 || Lighting attenuation
					//衰减值
					float Attenuation = LIGHT_ATTENUATION(i);
					//衰减后颜色值
					float3 AttenColor = Attenuation * _LightColor0.xyz;

					//【8.3】计算漫反射 || Diffuse
					float NdotL = dot(Normalection, LightDirection);
					float3 Diffuse = max(0.0, NdotL) * AttenColor + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

					//【8.4】准备自发光参数 || Emissive
					//计算边缘强度
					half Rim = 1.0 - max(0, dot(i.normal, ViewDirection));
					//计算出边缘自发光强度
					float3 Emissive = _RimColor.rgb * pow(Rim,_RimPower) *_RimIntensity;

					//【8.5】计在最终颜色中加入自发光颜色 || Calculate the final color
					//最终颜色 = （漫反射系数 x 纹理颜色 x rgb颜色）+自发光颜色 || Final Color=(Diffuse x Texture x rgbColor)+Emissive
					float3 finalColor = Diffuse * (tex2D(_TextureDiffuse,TRANSFORM_TEX(i.texcoord.rg, _TextureDiffuse)).rgb*_MainColor.rgb) + Emissive;
				
					//【8.6】返回最终颜色 || Return final color
					return fixed4(finalColor,1);
				}

			//-------------------结束CG着色器编程语言段 || End CG Programming Part------------------  
			ENDCG
		}
	}

	//后备着色器为普通漫反射 || Fallback use Diffuse
	FallBack "Diffuse"
}

 相信不少朋友已经看出来了，与普通的漫反射Shader相比，这个Shader的魔力就在于多出了“8.4准备自发光参数”和“8.5在最终颜色中加入自发光颜色"两个步骤而已，前面都是普通的Vertex & Fragment Shader常规写法。


将此Shader赋给Material，得到的效果如下：

  

 

  


当然，你也可以将这两个Shader用于场景中各种模型，以下是一组效果图：

 









OK，这篇文章的内容大致如此。我们下篇文章，再会。




附： 本文配套源码下载链接


【Github】本文Shader源码


以上是关于Unity Shader编程之十四 边缘发光Shader(Rim Shader)的两种实现形态的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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