Surface Shader

Surface Shader:
　　(1)必须放在SubShdader块，不能放在Pass内部；
　　(2)#pragma sufrace surfaceFunction lightModel [optionalparams]
　　(3)格式
　　CG规定了声明为表面着色器的方法（就是我们这里的surf）的参数类型和名字，因此我们没有权利决定surf的输入输出参数的类型，只能按照规定写。这个规定就是第一个参数是一个Input结构，第二个参数是一个inout的SurfaceOutput结构。
　　struct SurfaceOutput {
　　　　half3 Albedo; //像素的颜色
　　　　half3 Normal; //像素的法向值
　　　　half3 Emission; //像素的发散颜色
　　　　half Specular; //像素的镜面高光
　　　　half Gloss; //像素的发光强度
　　　　half Alpha; //像素的透明度
　　};
　　sampler2D就是GLSL中的2D贴图的类型，相应的，还有sampler1D，sampler3d，samplerCube等等格式。而具体地想知道像素与坐标的对应关系，以及获取这些数据，我们总不能一次一次去自己计算内存地址或者偏移，因此可以通过sampler2D来对贴图进 行操作。
　　在CG程序中，我们有这样的约定，在一个贴图变量（在我们例子中是_MainTex）之前加上uv两个字母，就代表提取它的uv值（其实就是两个代表贴图上点的二维坐标 ）。

　　Input 这个输入结构通常拥有着色器需要的所有纹理坐标(texture coordinates)。纹理坐标(Texturecoordinates)必须被命名为“uv”后接纹理(texture)名字。(或者uv2开始，使用第二纹理坐标集)。
　　可以在输入结构中根据自己的需要，可选附加这样的一些候选值：
　　float3 viewDir - 视图方向( view direction)值。为了计算视差效果(Parallax effects)，边缘光照(rim lighting)等，需要包含视图方向( view direction)值。
　　float4 with COLOR semantic -每个顶点(per-vertex)颜色的插值。
　　float4 screenPos - 屏幕空间中的位置。 为了反射效果，需要包含屏幕空间中的位置信息。比如在Dark Unity中所使用的 WetStreet着色器。
　　float3 worldPos - 世界空间中的位置。
　　float3 worldRefl - 世界空间中的反射向量。如果表面着色器(surface shader)不写入法线(o.Normal)参数，将包含这个参数。 请参考这个例子：Reflect-Diffuse 着色器。
　　float3 worldNormal - 世界空间中的法线向量(normal vector)。如果表面着色器(surface shader)不写入法线(o.Normal)参数，将包含这个参数。
　　float3 worldRefl; INTERNAL_DATA - 世界空间中的反射向量。如果表面着色器(surface shader)不写入法线(o.Normal)参数，将包含这个参数。为了获得基于每个顶点法线贴图( per-pixel normal map)的反射向量(reflection vector)需要使用世界反射向量(WorldReflectionVector (IN, o.Normal))。
　　float3 worldNormal; INTERNAL_DATA -世界空间中的法线向量(normal vector)。如果表面着色器(surface shader)不写入法线(o.Normal)参数，将包含这个参数。为了获得基于每个顶点法线贴图( per-pixel normal map)的法线向量(normal vector)需要使用世界法线向量(WorldNormalVector (IN, o.Normal))。

vertex shader modifier：Surface Shader还可以单独指定一个vertex shader，用于做一些运算，vertex函数拥有固定的输入参数 inout appdata_full 。下面的例子通过vertex shader对顶点在发现方向上做了一些偏移：

    #pragma surface surf Lambert vertex:vert
    void vert (inout appdata_full v)
    {
         v.vertex.xyz += v.normal * _Amount;
    }

　　也可在vertex shader中计算自定义变量（Input中的这些变量不能以uv开头，否则会出错），这个计算结果会逐像素的传递到surface shader，　如下：　

Shader "James/Surface/CustomData"
{
    Properties
    {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 200

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf Lambert vertex:vert

        sampler2D _MainTex;

        struct Input
        {
            float2 uv_MainTex;
            float3 customColor; // 自定义数据
        };

        void vert(inout appdata_full, out Input o)
        {
            UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input, o);
            o.customColor = abs(v.normal); // 在vs中计算自定义数据
        }

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            clip(frac((IN.worldPos.y + IN.worldPos.z * 0.1) * 5) - 0.5);
            o.Albedo = tex2D(_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb * IN.customColor;
            o.Normal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap, IN.uv_BumpMap));
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

final color modifier: 编译指令为finalcolor:functionName，函数接收三个参数 Input IN, SurfaceOutput o, inout fixed4 color 
　　final color会影响渲染的最终颜色，它在所有的计算的最后进行影响，比如lightmap、lightprobe等产生的颜色也会受此函数影响。
　　final color可以用来实现fog，fog只影响渲染的rgb，而不影响alpha，fog的原理是让物体在最终的rgb和fog.color之间根据距离进行过度。

Shader "James/Surface Shader/Final Color Fog Liner" {
  Properties {
    _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
  }
  SubShader {
    Tags { "RenderType"="Opaque" }
    LOD 200

    CGPROGRAM
    #pragma surface surf Lambert finalcolor:mycolor vertex:myvert

    sampler2D _MainTex;
    uniform half4 unity_FogColor;
    uniform half4 unity_FogStart;
    uniform half4 unity_FogEnd;

    struct Input {
      float2 uv_MainTex;
      half fog;
    };
    // 顶点着色函数
    void myvert (inout appdata_full v, out Input data) {
      UNITY_INITIALIZE_OUTPUT(Input,data);
      float pos = length(mul (UNITY_MATRIX_MV, v.vertex).xyz);
      float diff = unity_FogEnd.x - unity_FogStart.x;
      float invDiff = 1.0f / diff;
      data.fog = clamp ((unity_FogEnd.x - pos) * invDiff, 0.0, 1.0);
    }
    // final color处理函数
    void mycolor (Input IN, SurfaceOutput o, inout fixed4 color) {
      fixed3 fogColor = unity_FogColor.rgb;
      #ifdef UNITY_PASS_FORWARDADD
      fogColor = 0;
      #endif
      color.rgb = lerp (fogColor, color.rgb, IN.fog);
    }

    void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
      half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
      o.Albedo = c.rgb;
      o.Alpha = c.a;
    }
    ENDCG
  }
  FallBack "Diffuse"
}

　　uniform：用于指定变量的数据初始化方式。 Uniform inputs，表示一些与三维渲染有关的离散信息数据，这些数据通常由应用程序传入，并通常不会随着图元信息的变化而变化，如材质对光的反射信息、运动矩阵等。Uniform 修辞一个参数，表示该参数的值由外部应用程序初始化并传入。
　　使用Uniform 修辞的变量，除了数据来源不同外，与其他变量是完全一样的。需要注意的一点是：uniform 修辞的变量的值是从外部传入的，所以在Cg 程序（顶点程序和片段程序）中通常使用uniform 参数修辞函数形参，不容许声明一个用uniform 修辞的局部变量！

Lighting model：光照模式，在编写surface shader时，我们只需要描述各种属性即可，真正的光照计算是Lighting mode负责的。
　　内置光照模式：Lambert(diffuse lighting)、BlinnPhong(specular lighting)，源码在unity install path}/Data/CGIncludes/Lighting.cginc目录。
　　Lighting model其实就是按照指定规范编写的一堆cg/hlsl，我们也可以定义自己的Lighting model。

　　自定义光照模式：
　　Surface Shader Lighting Models其实就是一些函数，这些函数我们也可以自己来写。
　　下面的例子就是一个自定义的Lambert光照模式，并在此基础上实现的Toon效果：

Shader "James/Surface Shader/Diffuse" {
    Properties {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
        _RampTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf SimpleLambert

        sampler2D _RampTex;

        half4 LightingSimpleLambert(SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten)
        {
            half NdotL = dot(s.Normal, lightDir);
            // [-1, 1] --> [0, 1]
            half diff = NdotL *0.5 + 0.5;
            half3 ramp = tex2D(_RampTex, float2(diff, 0.5)).rgb;
            half4 c;
            c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * ramp * (atten * );
            // c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (diff * atten * 2);
            c.a = s.Alpha;
            return c;
        }

        sampler2D _MainTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o)
        {
            o.Albedo = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

　　下面的代码表示了一个简单的BlinnPhong的模式：

Shader "James/Surface Shader/SimpleBlinnPhong" {
    Properties {
        _MainTex ("Base (RGB)", 2D) = "white" {}
    }
    SubShader {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        LOD 

        CGPROGRAM
        #pragma surface surf SimpleSpecular

        half4 LightingSimpleSpecular(SurfaceOutput s, half3 lightDir, half3 viewDir, half atten)
        {
            half3 h = normalize(lightDir + viewDir);
            half diff = max(, dot(s.Normal, lightDir));

            float nh = max(, dot(s.Normal, h));
            float spec = pow(nh, 48.0);

            half4 c;
            c.rgb = (s.Albedo * _LightColor0.rgb * diff + _LightColor0.rgb * spec) * (atten * );
            c.a = s.Alpha;
            return c;
        }

        sampler2D _MainTex;

        struct Input {
            float2 uv_MainTex;
        };

        void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
            half4 c = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex);
            o.Albedo = c.rgb;
            o.Alpha = c.a;
        }
        ENDCG
    }
    FallBack "Diffuse"
}

　　再下面是关于lightmap的光照模式代码，并在光照贴图的基础是添加了一个自定义颜色的实现：

Shader "James/Surface Shader/SimpleLightmap" {
        Properties {
            _MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
            _SelfColor("SceneCooor", Color) = (0.5, , , )
        }
        SubShader {
            Tags { "RenderType" = "Opaque" }
            CGPROGRAM

            #pragma surface surf Standard

            half4 _SelfColor;

            half4 LightingStandard (SurfaceOutput s, half3 lightDir, half atten) {
                half NdotL = dot (s.Normal, lightDir);
                half4 c;
                c.rgb = s.Albedo * _LightColor0.rgb * (NdotL * atten * );
                c.a = s.Alpha;
                return c;
            }

            // 给lightmap乘一个自定义颜色
            inline half3 ColorLight (half3 i) {
                return _SelfColor.rgb * i;
            }

            inline fixed4 LightingStandard_SingleLightmap (SurfaceOutput s, fixed4 color) {
                half3 lm = ColorLight(DecodeLightmap (color));
                return fixed4(lm, );
            }

            inline fixed4 LightingStandard_DualLightmap (SurfaceOutput s, fixed4 totalColor, fixed4 indirectOnlyColor, half indirectFade) {
                half3 lm = ColorLight(lerp (DecodeLightmap (indirectOnlyColor), DecodeLightmap (totalColor), indirectFade));
                return fixed4(lm, );
            }

            inline fixed4 LightingStandard_StandardLightmap (SurfaceOutput s, fixed4 color, fixed4 scale, bool surfFuncWritesNormal) {
                UNITY_DIRBASIS

                half3 lm = ColorLight(DecodeLightmap (color));
                half3 scalePerBasisVector = DecodeLightmap (scale);

                if (surfFuncWritesNormal)
                {
                    half3 normalInRnmBasis = saturate (mul (unity_DirBasis, s.Normal));
                    lm *= dot (normalInRnmBasis, scalePerBasisVector);
                }

                return fixed4(lm, );
            }

            struct Input {
                float2 uv_MainTex;
            };

            sampler2D _MainTex;

            void surf (Input IN, inout SurfaceOutput o) {
                o.Albedo = tex2D (_MainTex, IN.uv_MainTex).rgb;
            }
            ENDCG
            }
        Fallback "Diffuse"
    }

还有一些相关的编译选项：

　　#pragma debug　　查看生成的代码
　　#pragma only_renderers: d3d9 只支持特定平台
　　noforwardadd
　　nolightmap
　　exclude_path:prepass 不支持deferred模式