浅墨Unity3D Shader编程之五 圣诞夜篇: Unity中Shader的三种形态对比&混合操作合辑

Posted 2020-08-16 浅墨_毛星云

 

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

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本文算是固定功能Shader的最后一篇，下一次更新应该就会开始讲解表面Shader，而讲解完表面Shader，后续文章最终会讲解到顶点着色器和片段着色器（也就是可编程Shader）。

文章第一部分复习和进一步了解了Unity中Shader的三种形态，然后讲解了固定功能Shader中混合操作的方方面面，然后以6个Shader的书写作为实战内容，最后创建了一个温馨美好的圣诞夜场景进行了Shader的测试。

 

依旧是国际惯例，先上本文配套程序的截图吧。

圣诞节就快到了，而下次更新就已经过了圣诞节，于是这次更新浅墨就提前把这个场景放出来吧，预祝大家圣诞节快乐~

 

雪花飘落：

 

 

可爱的圣诞雪人：

 

 

精心装扮的圣诞树：

 

 

 

月是故乡明：

 

雾气弥漫：

OK，图先就上这么多。文章末尾有更多的运行截图，并提供了源工程的下载。可运行的exe下载在这里：

 

【可运行的exe游戏场景请点击这里下载试玩】

 

 

 好的，我们正式开始。

一、再谈Unity中Shader的三种形态

因为Unity中基础的固定功能Shader的知识点基本上讲完，下期开始就要准备讲表面着色器（Surface Shader）了，所以在文章开头，让我们复习和更深入了解一下Unity中Shader的三种形态。

 

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（FixedFunction Shader）

 

2.表面着色器（SurfaceShader）

 

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-functionrenderingpipelines)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。

 

 

 

 

 

1.1  Unity中的Shader形态之一：固定功能Shader

 

 

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。

固定管线是为了兼容老式显卡。都为顶点光照，就是我们前四篇文章加上这篇文章中讲到的内容。

其特征是里面的核心是下面Material材质属性块、没有CGPROGRAM和ENDCG块，以及各种顶点着色和片段着色的宏命令。

 

一个光照材质完备版的固定功能Shader示例如下：

 

Shader "浅墨Shader编程/Volume5/固定功能的Shader示例"   
{  
    //-------------------------------【属性】-----------------------------------------  
    Properties   
    {  
        _Color ("主颜色", Color) = (1,1,1,0)  
        _SpecColor ("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  
        _MainTex ("基本纹理", 2D) = "white" {}  
    }  
  
    //--------------------------------【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  
                Specular [_SpecColor]  
                //自发光颜色  
                Emission [_Emission]  
            }  
            //开启光照  
            Lighting On  
            //开启独立镜面反射  
            SeparateSpecular On  
            //设置纹理并进行纹理混合  
            SetTexture [_MainTex]   
            {  
                Combine texture * primary DOUBLE, texture * primary  
            }  
        }  
    }  
}   

我们将此Shader编译后赋给材质，得到如下效果：

 

实际场景中的测试效果：

 

 

 

1.2 Unity中的Shader形态之二：表面着色器SurfaceShader

 

 

这部分算是Unity微创新自创的一套着色器标准。

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。一些特性如下：

 

•      SurfaceShader可以认为是一个光照Shader的语法块、一个光照VS/FS的生成器。减少了开发者写重复代码的需要。

•      特征是在SubShader里出现CGPROGRAM和ENDCG块。（而不是出现在Pass里。因为SurfaceShader自己会编译成多个Pass。）

•      编译指令是：

#pragma surface surfaceFunction lightModel[optionalparams]

o     surfaceFunction：surfaceShader函数，形如void surf (Input IN, inoutSurfaceOutput o)

o     lightModel：使用的光照模式。包括Lambert（漫反射）和BlinnPhong（镜面反射）。

     也可以自己定义光照函数。比如编译指令为#pragma surface surf MyCalc

     在Shader里定义half4 LightingMyCalc (SurfaceOutputs, 参数略)函数进行处理(函数名在签名加上了“Lighting”）。

•      我们自己定义输入数据结构（比如上面的Input）、编写自己的Surface函数处理输入、最终输出修改过后的SurfaceOutput。而SurfaceOutput的定义为:

struct SurfaceOutput
{
 	half3 Albedo; // 纹理颜色值（r, g, b)
 	half3 Normal; // 法向量(x, y, z)
 	half3 Emission; // 自发光颜色值(r, g, b)
 	half Specular; // 镜面反射度
 	half Gloss; // 光泽度
 	half Alpha; // Alpha不透明度
};

 

上面是一些特性总结，让我们看一个具体Shader示例：

 

Shader "浅墨Shader编程/Volume5/表面Shader示例 "   
{  
    //-------------------------------【属性】-----------------------------------------  
    Properties   
    {  
        _MainTex ("【纹理】Texture", 2D) = "white" {}  
        _BumpMap ("【凹凸纹理】Bumpmap", 2D) = "bump" {}  
        _RimColor ("【边缘颜色】Rim Color", Color) = (0.17,0.36,0.81,0.0)  
        _RimPower ("【边缘颜色强度】Rim Power", Range(0.6,9.0)) = 1.0  
    }  
  
    //----------------------------【开始一个子着色器】---------------------------  
    SubShader   
    {  
        //渲染类型为Opaque，不透明  
        Tags { "RenderType" = "Opaque" }  
  
        //-------------------开始CG着色器编程语言段-----------------  
        CGPROGRAM  
  
        //使用兰伯特光照模式  
        #pragma surface surf Lambert  
          
        //输入结构  
        struct Input   
        {  
            float2 uv_MainTex;//纹理贴图  
            float2 uv_BumpMap;//法线贴图  
            float3 viewDir;//观察方向  
        };  
  
        //变量声明  
        sampler2D _MainTex;//主纹理  
        sampler2D _BumpMap;//凹凸纹理  
        float4 _RimColor;//边缘颜色  
        float _RimPower;//边缘颜色强度  
  
        //表面着色函数的编写  
        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;  
            //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));  
            //边缘颜色强度  
            o.Emission = _RimColor.rgb * pow (rim, _RimPower);  
        }  
  
        //-------------------结束CG着色器编程语言段------------------  
        ENDCG  
    }   
  
    //“备胎”为普通漫反射  
    Fallback "Diffuse"  
}

 

我们将此Shader编译后赋给材质，得到如下效果：

 

调各种颜色玩一玩：

  

 

 

而实际场景中的测试效果（对应于一开始的金色）：

 

1.3 Unity中的Shader形态之三：可编程Shader

 

可编程Shader其实就是顶点着色器和片段着色器，这一部分和DirectX系的HLSL和CG着色器语言联系紧密。其实就是Unity给HLSL和CG报了一个ShaderLab的壳。

研究过Direct3D和OpenGL着色器编程的童鞋们一定对顶点着色器和片段着色器不陌生。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。

 

可编程Shader的特点为：

• • 功能最强大、最自由的形态。
  • 特征是在Pass里出现CGPROGRAM和ENDCG块
  • 编译指令#pragma。详见官网Cg snippets。其中重要的包括：

编译指令	示例/含义
#pragma vertex name #pragma fragment name	替换name，来指定Vertex Shader函数、Fragment Shader函数。
#pragma target name	替换name（为2.0、3.0等）。设置编译目标shader model的版本。
#pragma only_renderers name name ... #pragma exclude_renderers name name...	#pragma only_renderers gles gles3， #pragma exclude_renderers d3d9 d3d11 opengl， 只为指定渲染平台（render platform）编译

• • 关于引用库。通过形如#include "UnityCG.cginc"引入指定的库。常用的就是UnityCG.cginc了。其他库详见官网Built-in shader include files。
  • ShaderLab内置值。Unity给Shader程序提供了便捷的、常用的值，比如下面例子中的UNITY_MATRIX_MVP就代表了这个时刻的MVP矩阵。详见官网ShaderLab built-in values。
  • Shader输入输出参数语义（Semantics）。在管线流程中每个阶段之间（比如Vertex Shader阶段和FragmentShader阶段之间）的输入输出参数，通过语义字符串，来指定参数的含义。常用的语义包括：COLOR、SV_Position、TEXCOORD[n]。完整的参数语义可见HLSL Semantic（由于是HLSL的连接，所以可能不完全在Unity里可以使用）。
  • 特别地，因为Vertex Shader的的输入往往是管线的最开始，Unity为此内置了常用的数据结构：
  • 
    

数据结构	含义
appdata_base	顶点着色器输入位置、法线以及一个纹理坐标。
appdata_tan	顶点着色器输入位置、法线、切线以及一个纹理坐标。
appdata_full	顶点着色器输入位置、法线、切线、顶点颜色以及两个纹理坐标。
appdata_img	顶点着色器输入位置以及一个纹理坐标。

 

 

让我们用一个可编程着色器Shader示例结束此部分的讲解：

 

Shader "浅墨Shader编程/Volume5/可编程Shader示例" 
{
	//-------------------------------【属性】--------------------------------------
	Properties 
	{
		_Color ("Color", Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0)
		_SpecColor ("Specular Color", Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0)
		_Shininess ("Shininess", Float) = 10
	}

	//--------------------------------【子着色器】--------------------------------
	SubShader 
	{
		//-----------子着色器标签----------
		Tags { "LightMode" = "ForwardBase" }

		//----------------通道---------------
		Pass 
		{
			//-------------------开始CG着色器编程语言段-----------------  
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag
			
			//---------------声明变量--------------
			uniform float4 _Color;
			uniform float4 _SpecColor;
			uniform float _Shininess;
			
			//--------------定义变量--------------
			uniform float4 _LightColor0;
			
			//--------------顶点输入结构体-------------
			struct vertexInput 
			{
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal : NORMAL;
			};

			//--------------顶点输出结构体-------------
			struct vertexOutput 
			{
				float4 pos : SV_POSITION;
				float4 col : COLOR;
			};
			
			//--------------顶点函数--------------
			vertexOutput vert(vertexInput v)
			{
				vertexOutput o;
				
				//一些方向
				float3 normalDirection = normalize( mul( float4(v.normal, 0.0), _World2Object ).xyz );
				float3 viewDirection = normalize( float3( float4( _WorldSpaceCameraPos.xyz, 1.0) - mul(_Object2World, v.vertex).xyz ) );
				float3 lightDirection;
				float atten = 1.0;
				
				//光照
				lightDirection = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
				float3 diffuseReflection = atten * _LightColor0.xyz * max( 0.0, dot( normalDirection, lightDirection ) );
				float3 specularReflection = atten * _LightColor0.xyz * _SpecColor.rgb * max( 0.0, dot( normalDirection, lightDirection ) ) * pow( max( 0.0, dot( reflect( -lightDirection, normalDirection ), viewDirection ) ), _Shininess );
				float3 lightFinal = diffuseReflection + specularReflection + UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT;
				
				//计算结果
				o.col = float4(lightFinal * _Color.rgb, 1.0);//颜色
				o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);//位置
				return o;
			}
			
			//--------------片段函数---------------
			float4 frag(vertexOutput i) : COLOR
			{
				return i.col;
			}

			//-------------------结束CG着色器编程语言段------------------
			ENDCG
		}
	}
	//备胎
	Fallback "Diffuse"
	
}

我们将此Shader编译后赋给材质，得到如下效果：

 

可以发现就算这么简单的可编程Shader其细节效果也是非常出色,比固定功能Shader和表面Shader都看起来高端。我们依然是调各种颜色玩一玩：

 

 

 

实际场景中的测试效果：

 

 

OK，下面我们来看本次文章的主角——blending操作。

 

 

 

 

二、混合操作（Blending）

 

我们直奔主题吧。混合操作最常见的用途便是用来制作透明物体、或者是进行纹理的混合。它是Shader渲染的最后一步：

如上图所示，正被渲染的像素经过顶点光照、顶点着色器、剔除和深度测试，雾效、Alpha测试等一系列操作之后，最后一步便是混合操作。这个时候计算结果即将被输出到帧缓冲中。而混合操作，就是管理如何将这些像素输出到帧缓存中的这样一个过程——是直接替换原来的，是一加一的混合，还是有Alpha参与的不等比地混合等等。

混合操作有两个对象：源和目标，因此也有两个对应的因子，即源因子和目标因子（对应于下面讲解的Blend SrcFactor DstFactor操作）。

而如果我们把RGB颜色通道和Alpha通道分开来操作的话，混合就有了4个操作对象（对应于下面讲解的Blend SrcFactor DstFactor,SrcFactorA DstFactorA操作）。

 

2.1 混合操作相关的句法

 

Blend Off

Turn off blending 关闭混合

Blend SrcFactorDstFactor

基本的配置并启动混操作。对产生的颜色乘以SrcFactor.对 已存在于屏幕的颜色乘以DstFactor，并且两者将被叠加在一起。

 

Blend SrcFactorDstFactor, SrcFactorA DstFactorA

同上，但是使用不同的要素来混合alpha通道，也就是有了4个操作对象

 

BlendOp Add /Min | Max | Sub | RevSub

此操作不是Blend操作一样添加混合颜色在一起，而是对它们做不同的操作。

而如下便是常用混合操作符（blend operations）的含义列举：

Add	将源像素和目标像素相加.
Sub	用源像素减去目标像素
RevSub	用目标像素减去源像素
Min	取目标像素和源像素颜色的较小者作为结果
Max	取目标像素和源像素颜色的较大者作为结果

 

 

2.2 混合因子（Blend factors）列举

 

Blend SrcFactor DstFactor

以下所有的属性都可作为SrcFactor或DstFactor。其中，Source指的是被计算过的颜色，Destination是已经在屏幕上的颜色。

One	值为1，使用此因子来让帧缓冲区源颜色或是目标颜色完全的通过。
Zero	值为0，使用此因子来删除帧缓冲区源颜色或目标颜色的值。
SrcColor	使用此因子为将当前值乘以帧缓冲区源颜色的值
SrcAlpha	使用此因子为将当前值乘以帧缓冲区源颜色Alpha的值。
DstColor	使用此因子为将当前值乘以帧缓冲区源颜色的值。
DstAlpha	使用此因子为将当前值乘以帧缓冲区源颜色Alpha分量的值。
OneMinusSrcColor	使用此因子为将当前值乘以(1 -帧缓冲区源颜色值)
OneMinusSrcAlpha	使用此因子为将当前值乘以(1 -帧缓冲区源颜色Alpha分量的值)
OneMinusDstColor	使用此因子为将当前值乘以(1 –目标颜色值)
OneMinusDstAlpha	使用此因子为将当前值乘以(1 –目标Alpha分量的值)

2.3 常见的混合操作句法示例

 

上面都是一些句法和列表的列举，往往会令人一头雾水，下面这是一些示例，用其中的任何一句加在Pass中就可以实现对应的混合操作了：

 

Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha    // Alpha混合
Blend One One                       // 相加
Blend One OneMinusDstColor         // 比较柔和的相加（SoftAdditive）
Blend DstColor Zero                  // 乘法
Blend DstColor SrcColor              // 2倍乘法

 

 

三、QianMo's Toolkit升级到v1.3

 

 

这次QianMo's Toolkit又迎来了新的特性——飞翔。

将脚本赋给Controller，并调整相应的速度，(并可以先禁掉之前的鼠标视角控制相关脚本)然后点运行，并可以在天空中自由地飞翔了。

其中用W、A、S、D控制前后左右，R、F控制上升下降。

 

其代码如下：

//-----------------------------------------------【脚本说明】-------------------------------------------------------
//      脚本功能：   控制Contorller在场景中飞翔
//      使用语言：   C#
//      开发所用IDE版本：Unity4.5 06f 、Visual Studio 2010    
//      2014年12月 Created by 浅墨    
//      更多内容或交流，请访问浅墨的博客：http://blog.csdn.net/poem_qianmo
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

//-----------------------------------------------【使用方法】-------------------------------------------------------
//      第一步：在Unity中拖拽此脚本到场景的Controller之上，或在Inspector中[Add Component]->[浅墨's Toolkit]->[SetMaxFPS]
//      第二步：在面板中设置相关鼠标速度
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

using UnityEngine;
using System.Collections;

//添加组件菜单
[AddComponentMenu("浅墨's Toolkit/FlyController")]
public class FlyController : MonoBehaviour
{
    //参数定义
    public float lookSpeed = 5.0f;
    public float moveSpeed = 1.0f;

    public float rotationX = 0.0f;
    public float rotationY = 0.0f;


    void Update()
    {
        //获取鼠标偏移量
        rotationX += Input.GetAxis("Mouse X") * lookSpeed;
        rotationY += Input.GetAxis("Mouse Y") * lookSpeed;
        rotationY = Mathf.Clamp(rotationY, -90, 90);

        //鼠标控制视角
        transform.localRotation = Quaternion.AngleAxis(rotationX, Vector3.up);
        transform.localRotation *= Quaternion.AngleAxis(rotationY, Vector3.left);
        transform.position += transform.forward * moveSpeed * Input.GetAxis("Vertical");
        transform.position += transform.right * moveSpeed * Input.GetAxis("Horizontal");

        //I键，向上平移
        if (Input.GetKey(KeyCode.R))
            transform.position += transform.up * moveSpeed;
        //K键，向下平移
        if (Input.GetKey(KeyCode.F))
            transform.position -= transform.up * moveSpeed;
    }
}

就这样，我们的QianMo’s Toolkit中的工具越来越多：

 

 

四、Shader书写实战

 

 

1. 纹理载入Shader

因为后面几个shader的需要，先根据我们之前所学，几行代码就可以实现一个纹理载入Shader：

Shader "浅墨Shader编程/Volume5/18.基本纹理载入" 
{
	//-------------------------------【属性】--------------------------------------
    Properties 
	{
        _MainTex ("基本纹理", 2D) = "black" { }
    }

	//--------------------------------【子着色器】--------------------------------
    SubShader 
	{
		//-----------子着色器标签----------
        Tags { "Queue" = "Geometry" } //子着色器的标签设为几何体

		//----------------通道---------------
        Pass 
		{
			//设置纹理
            SetTexture [_MainTex] { combine texture }
        }
    }
}

我们将此Shader编译后赋给材质，得到如下效果：

 

实际场景中的运行效果如下：

 

 

 

以上是关于浅墨Unity3D Shader编程之五 圣诞夜篇: Unity中Shader的三种形态对比&混合操作合辑的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

浅墨Unity3D Shader编程之六 暗黑城堡篇: 表面着色器(Surface Shader)的写法

浅墨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

浅墨Unity3D Shader编程之三 光之城堡篇：子着色器通道与标签的写法 & 纹理混合

Unity3D Shader编程之一 夏威夷篇：游戏场景的创建 & 第一个Shader的书写

Unity3D Shader编程之十一 深入理解Unity5中的Standard Shader&屏幕像素化特效的实现

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