unity shader 入门
1.一个简单的顶点/片元着色器基本结构
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" {
}
SubShader {
Pass {
CGPROGRAM
//告诉unity哪个函数包含了顶点着色器的代码
#pragma vertex vert
//告诉unity哪个函数包含了片元着色器的代码
#pragma fragment frag
//POSITION：告诉unity把模型的顶点坐标填充到v中；SV_POSITION:告诉unity顶点着色器输出的裁剪空间中的顶点坐标
float4 vert(float4 v:POSITION) : SV_POSITION{
return mul(UNITY_MATRIX_MVP,V);
}
//SV_Target：把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中
fixed4 frag() : SV_Target {
return fixed4(1.0,1.0,1.0,1.0);
}
ENDCG
}
}
}
2.为顶点着色器定义一个新的传入参数，使用结构体
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" {
}
SubShader {
Pass {
CGPROGRAM
//告诉unity哪个函数包含了顶点着色器的代码
#pragma vertex vert
//告诉unity哪个函数包含了片元着色器的代码
#pragma fragment frag
//a:应用；v:顶点着色器；a2v：把数据从应用阶段传递到顶点着色器
struct a2v {
// POSITION:告诉unity使用模型空间的顶点坐标填充vertex变量
float4 vertex : POSITION;
// NORMAL:告诉unity使用模型空间的法线方向填充normal
float3 normal : NORMAL;
// TEXCOORD：告诉unity使用模型的第一套纹理坐标填充texcoord变量
float texcoord : TEXCOORD;
}
//POSITION：告诉unity把模型的顶点坐标填充到v中；SV_POSITION:告诉unity顶点着色器输出的裁剪空间中的顶点坐标
float4 vert(a2v v) : SV_POSITION{
return mul(UNITY_MATRIX_MVP,V.tertex);
}
//SV_Target：把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中
fixed4 frag() : SV_Target {
return fixed4(1.0,1.0,1.0,1.0);
}
ENDCG
}
}
}
POSITION,NORMAL,TEXCOORD中的数据由使用该shader的材质的MeshRender组件提供。在每帧调用Draw Call时，Mesh Render组建会把它负责渲染的模型书记发送给shader。
3。为片元着色器定义一个新的传入参数，使用结构体
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" {
}
SubShader {
Pass {
CGPROGRAM
//告诉unity哪个函数包含了顶点着色器的代码
#pragma vertex vert
//告诉unity哪个函数包含了片元着色器的代码
#pragma fragment frag
struct a2v {
// POSITION:告诉unity使用模型空间的顶点坐标填充vertex变量
float4 vertex : POSITION;
// NORMAL:告诉unity使用模型空间的发现方向填充normal
float3 normal : NORMAL;
// TEXCOORD：告诉unity使用模型的第一套纹理坐标填充texcoord变量
float texcoord : TEXCOORD;
}
struct v2f {
// SV_POSITION:告诉unity ，pos里包含了顶点在裁剪空间中的位置信息
float4 pos : SV_POSITION;
// COLOR:存储颜色信息
fixed3 color : COLOR0;
}
//POSITION：告诉unity把模型的顶点坐标填充到v中；SV_POSITION:告诉unity顶点着色器输出的裁剪空间中的顶点坐标
v2f vert(a2v v) : SV_POSITION{
//声明输出结果
v2f o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
//v.normal包含了顶点的法线方向，其分量范围在[-1.0,1.0]
//下麦呢的代码把分量范围映射到了[0.0,1.0]
//存储到o.color中传递给片元着色器
o.color = v.normal*0.5 + fixed3(0.5, 0.5, 0.5);
return o;
}
//SV_Target：把用户的输出颜色存储到一个渲染目标中
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
//将插值后的i.color显示到屏幕上
return fixed4(i.color,1.0);
}
ENDCG
}
}
}
v2f用于顶点着色器和片元着色器之间传递信息。
4。添加属性，方便在面板上直接控制模型在屏幕上显示的颜色
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 5/Simple Shader" {
Properties{
//声明一个Color类型的属性
_Color("Color",Color) = (1.0,1.0,1.0,1.0)
}
SubShader{
Pass {
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
//在CG代码中，需要定义一个与属性名称和类型都匹配的变量
fixed4 _Color;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
float texcoord : TEXCOORD;
}
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR0;
}
v2f vert(a2v v) : SV_POSITION{
v2f o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP, v.vertex);
o.color = v.normal*0.5 + fixed3(0.5, 0.5, 0.5);
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 c = i.color;
//使用_Color属性来控制输出颜色
c *= _Color.rgb;
return fixed4(c,1.0);
}
ENDCG
}
}
}
SV代表系统数值，对于有特殊含义的变量最好以SV开头的语义进行修饰。
5.添加内置的包含文件
6.Unity支持的语义
颜色分量中任何大于1的数值将会被这是为1，而任何小于0的数值都会被设置为0。
7.shader整洁之道
（1）.数值类型
（2）.避免不必要的计算
避免在shader'（尤其是片元着色器）中进行大量计算，不然很可能出席拿一下错误：
（3）慎用分支和循环语句
尽量把计算向流水线上端移动，例如：把放在片元着色器中的计算放到顶点着色器中，或直接在CPU中进行预计算，再把结果传递给shader。
当不可避免使用分支语句进行计算时：
（4）不要除以0
8.漫反射光照模型
（1）高光反射：表示物体表面是如何反射光线的。
（2）漫反射：表示有多少光线会被折射，吸收和散射出表面。
（3）标准光照模型的4部分：自发光，高光反射，漫反射（兰伯特光照模型），环境光
注意：在计算法线和光源方向时，应选择同一坐标系
（4）在片元着色器中计算光照模型-----逐像素光照，又称为Phong着色
在顶点着色器中计算光照模型-----逐顶点光照，Gouraud Shading
（5）.逐顶点漫反射光照模型
Shader "MyShader" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (, , , )
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR;
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.tvertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
//世界空间下的法线
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);//方法一
o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);//方法二
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject)); fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz); fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir)); o.color = ambient + diffuse; return o; } fixed4 frag(v2f i) : SV_Target { return fixed4(i.color, 1.0); } ENDCG } } FallBack "Diffuse" }
（6）.逐像素漫反射光照模型
Shader "MyShader" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (, , , )
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 worldNormal : TEXCOORD0;
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
//将顶点坐标从模型空间转换到裁剪空间
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.tvertex);//方法一
o.pos = mul(UNITY_MATRIX_MVP,v.tvertex);//方法二
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)_World2Object);
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;//世界空间下环境光颜色
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);//世界空间下的光照方向
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));//saturate函数：把参数截取到[0，1]的范围。
fixed3 color = ambient + diffuse;
return fixed4(color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}
半兰伯特光照模型与兰伯特光照模型的区别在于：兰伯特光照模型使用saturate函数把saturate(dot(worldNormal, worldLightDir))截取到[0，1]的范围。半兰伯特使用dot(worldNormal, worldLightDir)*0.5+0.5截取到[-1，1]的范围。
半兰伯特光照模型（逐像素）：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Half Lambert" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (, , , )
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed halfLambert = dot(worldNormal, worldLightDir) * 0.5 + 0.5;
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * halfLambert;
fixed3 color = ambient + diffuse;
return fixed4(color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Diffuse"
}
9.高光反射光照模型
逐顶点：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Specular Vertex-Level" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (, , , )
_Specular ("Specular", Color) = (, , , )
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, )) =
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
fixed3 color : COLOR;
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject));
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
// 世界空间下反射光方向
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
// 世界空间下视野方向
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
o.color = ambient + diffuse + specular;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
return fixed4(i.color, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
逐像素：
Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Specular Pixel-Level" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (, , , )
_Specular ("Specular", Color) = (, , , )
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, )) =
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldPos : TEXCOORD1;
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
// 传统计算光照方向的方法（1）
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
// 使用UnityCG.cginc中的函数计算光照方向的方法（2）
fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLightDir));
// 世界空间下反射光方向
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLightDir, worldNormal));
// 世界空间下视野方向---传统方法(1)
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
//采用unity内置函数(2)
fixed3 viewDir=normalize(UnityWorldSpaceViewDir(i.worldPos));
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
10.Blinn-Phong光照模型
逐像素：
// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'
// Upgrade NOTE: replaced '_World2Object' with 'unity_WorldToObject'
// Upgrade NOTE: replaced 'mul(UNITY_MATRIX_MVP,*)' with 'UnityObjectToClipPos(*)' Shader "Unity Shaders Book/Chapter 6/Blinn-Phong" {
Properties {
_Diffuse ("Diffuse", Color) = (, , , )
_Specular ("Specular", Color) = (, , , )
_Gloss ("Gloss", Range(8.0, )) =
}
SubShader {
Pass {
Tags { "LightMode"="ForwardBase" }
CGPROGRAM
#pragma vertex vert
#pragma fragment frag
#include "Lighting.cginc"
fixed4 _Diffuse;
fixed4 _Specular;
float _Gloss;
struct a2v {
float4 vertex : POSITION;
float3 normal : NORMAL;
};
struct v2f {
float4 pos : SV_POSITION;
float3 worldNormal : TEXCOORD0;
float3 worldPos : TEXCOORD1;
};
v2f vert(a2v v) {
v2f o;
o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
o.worldNormal = mul(v.normal, (float3x3)unity_WorldToObject);
o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz;
return o;
}
fixed4 frag(v2f i) : SV_Target {
fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;
fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * max(, dot(worldNormal, worldLightDir));
// Get the view direction in world space
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - i.worldPos.xyz);
// Get the half direction in world space
fixed3 halfDir = normalize(worldLightDir + viewDir);
// Compute specular term
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);
return fixed4(ambient + diffuse + specular, 1.0);
}
ENDCG
}
}
FallBack "Specular"
}
注意：
1。在实际的渲染中，绝大多数情况选择Blinn-Phong光照模型。
2。上例中计算光源方向的方法只适用于平行光。
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