Unity3D学习（八）：《Unity Shader入门精要》——透明效果

前言

在实时渲染中要实现透明效果，通常会在渲染模型时控制它的透明通道。

Unity中通常使用两种方法来实现透明 ：（1）透明度测试（AlphaTest）（2）透明度混合（AlphaBlend）。前者往往无法实现真正的半透明效果。

深度缓冲（Depth Buffer）

深度缓冲是用于解决可见性问题的，它可以决定物体的哪些部分渲染在前面，哪些部分被其他物体遮挡。其基本思想是：根据深度缓存中的值来判断该片元距离摄像机的距离，当渲染一个片元时，需要把它的深度值和已经存在深度缓存中的值进行比较（前提是开启了深度测试），如果它的值距离摄像机更远，那么说明它不应该被渲染到屏幕上（被挡住了）；否则，这个片元应该覆盖掉此时颜色缓冲中的像素值，并把它的深度更新到深度缓冲中（前提是开启了深度写入，Unity中为ZWrite On）。

透明度混合时应关闭深度写入（ZWrite Off）

如果不关闭深度写入，一个半透明表面背后的表面本就是透过它被我们看到的，但由于深度测试时判断结果是该半透明表面）距离摄像机更近，导致后面的表面会被剔除掉，也就无法通过半透明面观察到后面的物体。

另外注意关闭深度写入后要考虑物体的渲染顺序。如下图，一个半透明物体A和一个不透明物体B，B在A后方，如果先渲染A再渲染B会出现A被B遮挡的情况，这是错误的。因此渲染顺序在关闭深度写入的情况下极为重要。

为了保证渲染顺序正确，渲染引擎一般会对物体进行排序，再渲染，常用的方法是

• 1）先渲染所有不透明物体，并开启它们的深度测试和深度写入。
• 2）把半透明物体按他们离摄像机的远近进行排序，然后按照从后往前的顺序渲染透明物体，并开启它们的深度测试，但关闭深度写入。

但这种方法无法解决物体重叠的情况，因此需要额外的解决方案，比如分割网格等。但是也可以试着让透明通道更柔和，是穿插重叠看起来不那么明显。

Unity的渲染顺序

Unity通过一组Queue标签来决定模型归于哪个渲染队列，队列由整数索引表示，索引号越小越先被渲染。

渲染队列	渲染队列描述	渲染队列值
Background	这个队列被最先渲染。它被用于skyboxes等。	1000
Geometry	这是默认的渲染队列。它被用于绝大多数对象。不透明几何体使用该队列。	2000
AlphaTest	通道检查的几何体使用该队列。它和Geometry队列不同，对于在所有立体物体绘制后渲染的通道检查的对象，它更有效。	2450
Transparent	该渲染队列在Geometry和AlphaTest队列后被渲染。任何通道混合的（也就是说，那些不写入深度缓存的Shaders）对象使用该队列，例如玻璃和粒子效果。	3000
Overlay	该渲染队列是为叠加效果服务的。任何最后被渲染的对象使用该队列，例如镜头光晕。	4000

透明度测试

只要有一个片元的透明度不满足条件（通常是小于某个阈值），那么它对应的片元便会被舍弃，不做任何处理。

在Unity中是用如下函数来进行透明度测试：

clip(texColor.a - _Cutoff);

texColor.a为纹理的alpha值，_Cutoff为阈值，该函数等价于

if(texColor.a - _Cutoff < 0)
    discard;

完整的代码　

Shader "Unity Shader Book/Chapter 8/AlphaTest"
{
	Properties
	{
	    _Color("Color Tint",Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
		_Cutoff("Alpha Cutoff",Range(0,1)) = 0.5
	}
	SubShader
	{
		Tags { "RenderType"="TransparentCutout" "Queue"="AlphaTest" "IgnoreProjector"="True" "LightMode"="ForwardBase"}
		LOD 100

		Pass
		{
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "UnityCG.cginc"
			#include "Lighting.cginc"
			struct appdata
			{
				float4 vertex : POSITION;
				float3 normal:NORMAL;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};

			struct v2f
			{
				float4 pos : SV_POSITION;
				float3 worldNormal:TEXCOORD0;
				float3 worldPos:TEXCOORD1;
				float2 uv : TEXCOORD2;
			};

			fixed4 _Color;
			fixed _Cutoff;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;

			v2f vert (appdata v)
			{
				v2f o;
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
				return o;
			}

			fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
			{
				fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
				fixed3 worldLightDir = UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos);

				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex,i.uv);

				//Alpha Test
				clip(texColor.a - _Cutoff);
				//equal to
				//if(texColor.a - _Cutoff < 0) discard;
				fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0,dot(worldNormal,worldLightDir));
				return fixed4(diffuse + ambient,1.0);
			}
			ENDCG
		}
	}
}

效果如下，可以看到只是单纯的颜色剔除，并不算正常的透明效果。

为了得到正确的透明效果，可以使用透明度混合。

透明度混合

透明度混合即将透明物体的源颜色与其表面后方的目标颜色混合，其基本公式为：

DstColor-new(混合后的颜色) = SrcAlpha * SrcColor + (1- SrcAlpha) * DstColor。（SrcAlpha为混合因子）

该公式可以在Unity的ShaderLab语义中表示为

Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha

更多语义可以参考官方文档

完整代码实现

// Upgrade NOTE: replaced '_Object2World' with 'unity_ObjectToWorld'

Shader "Unity/Chapter 8/AlphaBlend"
{
	Properties
	{
	    _Color("Color Tint",Color) = (1,1,1,1)
		_MainTex ("Texture", 2D) = "white" {}
		_AlphaScale("Alpha Scale",Range(0,1)) = 0.5
	}
	SubShader
	{
		Tags { "RenderType"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "Queue"="Transparent" }
		LOD 100
		Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha
		ZWrite On
		Pass
		{
			CGPROGRAM
			#pragma vertex vert
			#pragma fragment frag

			#include "UnityCG.cginc"
			#include "Lighting.cginc"
			struct appdata
			{
			    float3 normal:NORMAL;
				float4 vertex : POSITION;
				float4 texcoord : TEXCOORD0;
			};

			struct v2f
			{
				float2 uv : TEXCOORD2;
				float3 worldNormal : TEXCOORD0;
				float3 worldPos : TEXCOORD1;
				float4 pos : SV_POSITION;
			};

			fixed4 _Color;
			fixed _AlphaScale;
			sampler2D _MainTex;
			float4 _MainTex_ST;

			v2f vert (appdata v)
			{
				v2f o;
				o.worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
				o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
				o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord, _MainTex);
				o.worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
				return o;
			}

			fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
			{
			    fixed3 worldNormal = normalize(i.worldNormal);
			    fixed3 worldLightDir = normalize(UnityWorldSpaceLightDir(i.worldPos));
				fixed4 texColor = tex2D(_MainTex,i.uv);
				fixed3 albedo = texColor.rgb * _Color.rgb;
				fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz * albedo;
				fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo * max(0,dot(worldNormal,worldLightDir));
				return fixed4(ambient + diffuse,texColor.a * _AlphaScale);
			}
			ENDCG
		}
	}
	Fallback "Transparent/VertexLit"
}

该代码得到的效果如下

嗯，这才是正常的透明效果

开启深度写入的半透明效果

上述的透明混合并没有开启深度写入（ZWrite On），因此如果物体有重叠，那么会产生错误的效果，如下

这时候需要在上文的透明度混合代码中的Pass代码块之前，插入一个新的Pass代码块

Pass
{
    ZWrite On
    ColorMask 0  //用于设置颜色通道的写掩码,0表示不写入任何通道
}

这样就会得到正确的效果

双面渲染的透明效果

仔细观察上文的透明效果可以发现，我们并不能透过半透明物体观察它们的内部情况，这是不合乎常理的，因此我们需要进行双面渲染。

在Unity中，我们可以通过Cull指令来控制剔除哪一面的渲染图元

Cull Back  //剔除背面，只渲染前面,引擎的默认设置
Cull Front //剔除前面，仅渲染背面
Cull Off    //关闭剔除

透明度测试的双面渲染

仅需要在Tags标签后插入一行

Cull Off

效果对比

透明度混合的双面渲染

将Pass代码块复制一份，一个Pass负责渲染前面，一个Pass负责渲染后面就行，格式如下

Shader "........."{
propeties
{
     /*.....*/
}
SubShader{
     Pass
   {
         Tags{.......}
         Cull Front  //剔除前面
         /*其余代码保持不变
          ....
         */
    }

     Pass
    {
         Tags{.......}
         Cull Back  //剔除后面
         /*其余代码保持不变
           ....
         */
     }

   }
}

实现的效果如下