固定功能管线着色器Fixed Function Shaders

固定功能管线着色器的关键代码一般都在Pass的材质设置Material{}和纹理设置SetTexture{}部分。

Shader "Custom/VertexList" {

    Properties {

        _Color("Main Color",Color) = (,,,0.5)

        _SpecColor("Spec Color",Color) = (,,,)

        _Emission("Emissive Color",Color) = (,,,)

        _Shininess("Shininess",Range(0.01,)) = 0.7

        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}

    }

    SubShader {

        Pass{

                Material{

                   Diffuse[_Color]

                   Ambient[_Color]

                   Shininess[_Shininess]

                   Specular[_SpecColor]

                   Emission[_Emission]

                }      

                Lighting On

                SeparateSpecular On//启用高光颜色

                //设置纹理

                SetTexture[_MainTex]{

                   //设置颜色常量

                   constantColor[_Color]

                   //混合命令

                   combine texture * primary DOUBLE,

                   texture *constant

                }

            }

    }

}

表面着色器Surface Shaders

在Unity中,表面着色器的关键代码用Cg/HLSL语言编写,然后嵌在ShaderLab的结构代码中使用。使用表面着色器,用户仅需要编写最关键的表面函数,其余周边代码将由Unity自动生成,包括适配各种光源类型、渲染实时阴影以及集成到前向/延迟渲染管线中等。

编写表面着色器有几个规则:

1)表面着色器的实现代码需要放在CGPROGRAM..ENDCG代码块中,而不是Pass结构中,它会自己编译到各个Pass。

2)使用#pragma surface..命令来指明它是一个表面着色器。

#pragma surface 表面函数光照模型[可选参数]

其中表面函数用来说明哪个Cg函数包含有表面着色器代码,表面函数的形式为:

void surf(Input IN,inoutSurfaceOutPut 0)

光照模型可以是内置的Lambert和BlinnPhong,或者是自定义的光照模型。

表面函数的作用是接收输入的UV或者附加数据,然后进行处理,最后将结构填充到输出结构体SurfaceOutPut中。

输入结构体Input一般包含着色器所需的纹理坐标,纹理坐标的命名规则为uv加纹理名称。另外还可以在输入结构中设置一些附加数据:

SurfaceOut描述了表面的各种参数,它的标准结构为:

struct SurfaceOutput{
half3 Albedo;//反射光
half3 Normal;//法线
half3 Emission;//自发光
half Specular;//高光
half Gloss;//光泽度
half Alpha;//透明度
};

将输入数据处理完毕后,将结果填充到输出结构体中。

相关示例:

1、使用内置的Lambert光照模型,并设置表面颜色为白色。

 Shader "Custom/Diffuse Simple" {

     SubShader{

         Tags{"RenderType" = "Opaque"}

         CGPROGRAM//表面着色器的实现代码

         //指明着色器类型,表面函数和光照模型

         #pragma surface surf Lambert

         struct Input{//输入的数据结构体

             float color : COLOR;

         };

         void surf(Input IN,inoutSurfaceOutput o){//表面函数

             o.Albedo = ;//输出颜色值

         }

         ENDCG;

     }

     Fallback "Diffuse"//备选着色器

 }

渲染效果如下:

2、在示例1的基础上添加纹理,代码如下:

 Shader "Custom/Diffuse Simple" {

     Properties{//添加纹理属性

         _MainTex("Texture",2D) = "White"{}

     }

     SubShader{

         Tags{"RenderType" = "Opaque"}

         CGPROGRAM   //表面着色器的实现代码

         //指明着色器类型,表面函数和光照模型

         #pragma surface surf Lambert

         struct Input{//输入的数据结构体

             float2 uv_MainTex;

         };

         sampler2D _MainTex;

         void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o){//表面函数

             o.Albedo = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;

         }

         ENDCG

     }

     Fallback "Diffuse"//备选着色器

 }

渲染效果如下:

3、在示例2的基础上添加法线贴图

 Shader "Custom/Diffuse Simple"{

     Properties{//添加纹理属性

         _MainTex("Texture",2D) = "white"{}

         //添加法线贴图属性

         _BumpMap("Bumpmap",2d) = "bump"

     }

     SubShader{

         Tags{"RenderType" = "Opaque"}

         CGPROGRAM//表面着色器的实现代码

         //指明着色器类型,表面函数和光照模型

         #pragma surface surf Lambert

         struct Input{//输入的数据结构体

             float2 uv_MainTex;

             float2 uv_BumpMap;

         };

         sampler2D _MainTex;

         sampler2D _BumpMap;

         void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o){//表面函数

             o.Albedo = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;

             o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,IN.uv_BumpMap));

         }

         ENDCG

     }

     Fallback "Diffuse"//备选着色器

 }

渲染效果如下:

4、添加立方体贴图反射

 Shader "Surface Shader Example/Diffuse Simple"{

     Properties{//添加纹理属性

     _MainTex("Texture",2D) = "white"{}

     //立方体贴图属性

     _Cube("Cubemap",CUBE) = ""{}

 }

     SubShader{

             Tags{"RenderType" = "Opaque"}

             CGPROGRAM//表面着色器的实现代码

             //指明着色器类型,表面函数和光照模型

             #pragma surface surf Lambert

             struct Input{//输入的数据结构体

                 float2 uv_MainTex;

                 float3 worldRefl;//输入反射参数

         };

             sampler2D _MainTex;

             SamplerCUBE _Cube;

             void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o){//表面函数

                 o.Albedo = tex2D(_MainTex,IN.uv_MainTex).rgb;

                 //将发射颜色设置给自发光颜色

                 o.Emission = texCUBE(_Cube,IN.worldRefl).rgb;

             }

             ENDCG

     }

     Fallback "Diffuse"//备选着色器

 }

渲染效果如下:

顶点片段着色器Vertex And Fragment Shaders

顶点片段着色器运行于具有可编程渲染管线的硬件上,它包括顶点程序Vertex Programs和片段程序Fragment Programs。当在使用顶点程序或片段程序进行渲染的时候,图形硬件的固定功能管线会关闭,具体来说就是编写的顶点程序会替换掉固定管线中标准的3D变换,光照,纹理坐标生成等功能,而片段程序会替换掉SetTexture命令中的纹理混合模式。因此编写顶点片段着色器需要对3D变化,光照计算等有非常透彻的了解,需要写代码来替代D3D或者OpenGL原先在固定功能管线中要做的工作。

与表面着色器一样,顶点片段着色器也需要用Cg/HLSL来编写核心的实现代码,代码用CGPROGRAM ENDCG语句包围起来,放在ShaderLab的Pass命令中,形式如下:

Pass{
//通道设置
CGPROGRAM
//本段Cg代码的编译命令
#pragma vertexvert
#pragma fragment frag
//Cg代码
ENDCG
//其他通道设置
}

顶点着色程序从GPU前端模块(寄存器)中提取图元信息(顶点位置、法向量、纹理坐标等),并完成顶点坐标空间转换、法向量空间转换、光照计算等操作,最后将计算好的数据传送到指定寄存器中;然后片断着色程序从中获取需要的数据,通常为“纹理坐标、光照信息等”,并根据这些信息以及从应用程序传递的纹理信息(如果有的话)进行每个片断的颜色计算,最后将处理后的数据送光栅操作模块。

顶点着色器和像素着色器的数据处理流程

在应用程序中设定的图元信息(顶点位置坐标、颜色、纹理坐标等)传递到vertex buffer中;纹理信息传递到texture buffer中。其中虚线表示目前还没有实现的数据传递。当前的顶点程序还不能处理纹理信息,纹理信息只能在片断程序中读入。

顶点着色程序与片断着色程序通常是同时存在,相互配合,前者的输出作为后者的输入。不过,也可以只有顶点着色程序。如果只有顶点着色程序,那么只对输入的顶点进行操作,而顶点内部的点则按照硬件默认的方式自动插值。例如,输入一个三角面片,顶点着色程序对其进行phong光照计算,只计算三个顶点的光照颜色,而三角面片内部点的颜色按照硬件默认的算法(Gourand明暗处理或者快速phong明暗处理)进行插值,如果图形硬件比较先进,默认的处理算法较好(快速phong明暗处理),则效果也会较好;如果图形硬件使用Gourand明暗处理算法,则会出现马赫带效应(条带化)。

而片断着色程序是对每个片断进行独立的颜色计算,并且算法由自己编写,不但可控性好,而且可以达到更好的效果。

由于GPU对数据进行并行处理,所以每个数据都会执行一次shader程序程序。即,每个顶点数据都会执行一次顶点程序;每个片段都会执行一次片段程序。

片段就是所有三维顶点在光栅化之后的数据集合,这些数据没有经过深度值比较,而屏幕显示的像素是经过深度比较的。

顶点片段着色器中编译命令的一些说明:

编译命令Compilation directive

编译目标Shader targets

下面是一些顶点片段着色器的例子:

1)根据发现方向设置模型表面颜色

 Shader"Tutorial/Display Normals"{

     SubShader{

         Pass{

             CGPROGRAM

             //CG代码块开始

             #pragma vertex vert

             #pragma fragment frag

             #include "UnityCG.cginc"

             struct v2f{

                 float4 pos:SV_POSITION;

                 float3 color:COLOR0;

             };

                v2f vert(appdata_base v)

                {//顶点程序代码,计算位置和颜色

                   v2f o;

                   o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex);

                   o.color = v.normal*0.5+0.5;

                   return o;

                }

               half4 frag(v2f i):COLOR

              {

                  //片段程序代码,直接把输入的颜色返回,并把透明度设置为1

                    return half(i.color,);

              }

             ENDCG

         }

     }

     Fallback "VertexLit"

 }

渲染效果如下:

2)根据切线方向设置模型表面颜色。

 Shader"vertex and fragment example/Tangents"{

     SubShader{

         Pass{

             Fog{Mode Off}
CGPROGRAM //CG代码块开始 #pragma vertex vert #pragma fragment frag //输入位置和切线数据 struct appdata{ float4 vertex : POSITION; float4 tangent : TANGENT; }; struct v2f{
float4 pos : POSITION;
fixed4 color : COLOR; };
v2f vert(appdata_base v) {//顶点程序代码,计算位置和颜色 v2f o; o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.vertex); o.color = v.tangent*0.5+0.5; return o; } fixed4 frag(v2f i):COLOR0
{ //片段程序代码,直接把输入的颜色返回,并把透明度设置为1 return i.color; } ENDCG } } }

渲染效果如下:

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