Unity 5着色器系统代码介绍（上）

http://forum.china.unity3d.com/thread-25724-1-10.html

Unity 5着色器系统代码介绍（上）

Unity在着色器开发方面提供了很大的灵活性。有些工具需要你编写一个“合适”的自定义着色器（合适，即无法在节点编辑器里完成，必须要写代码），其麻烦程度可算是相当轻量。不过，完全基于延迟渲染器，意味着我们无法像在前向着色器中那样可以放开手脚，而只能受限于g-buffer中包含的那些无法进行更改的信息。

所以说，如果你对Unity 5的标准着色器基本满意，想在其中添加点东西，比如一个额外的着色器属性，或者修改某些功能点。或者你想重新制作你自己的着色器系统，这个系统需要涉及阴影、全局光照、光照贴图、直接光照等等。



最主要的问题是，无法对标准着色器进行编辑。你无法直接修改标准着色器的代码。你必须先下载你所安装的Unity版本的对应着色器代码。



获取标准着色器代码



具体做法是，检查你所安装的Unity 5版本，然后访问Unity
Download Archive网页，在下拉列表中选择适合你平台（Win/Mac）的“内置着色器”，最后将下载的zip文件解压。



概述



Zip文件中包含了标准着色器的完整源代码，包括特殊的检视视图UI以及它包含的所有内容。四个文件夹：

• CGIncludes
• DefaultResources
• DefaultResourcesExtra
• Editor

Editor仅包含实现标准着色器检视视图UI的.cs文件。

CGIncludes中的文件包含了所有其他着色器所需要的函数。我们会仔细研究它们，因为我们将会用到那些函数。

DefaultResources和DefaultResourcesExtra 包含了许多适用于不同情况的着色器。



下面来学习如何解读标准着色器，然后依次查看各个子系统，直接光照、阴影、全局光照等等。本文以Unity 5.4版本为例，建议大家采用Unity 5.3或以上版本，因为Unity将光照模型（BRDF）从Phong改为了GGX。Phong简单快速，各向同性，但是表达能力有限；GGX更为复杂，支持各向异性，并且有接近现实世界的高光效果，表达能力较强。这是一个很大的改进，使我们可以制作更多有趣的示例。



追踪pragma



回到着色器代码。从一个简单的标准着色器开始：DefaultResourcesExtra\Standard.shader。



打开这个文件后会发现，它是一个Surface着色器，包含一个Properties部分，以及不同的着色器pass。它针对延迟与前向渲染器还有不同的pass。



让我们分析前向渲染器（前向渲染器有两个Pass，Base Pass针对第一个光源，另一个Add Pass针对所有其他光源）的Base Pass：

[C#] 纯文本查看 复制代码

?

//
------------------------------------------------------------------

        // 
Base forward pass (directional light, emission, lightmaps, ...)

        Pass

        {

            Name
"FORWARD"

            Tags
{ "LightMode"

= "ForwardBase"

}

 

            Blend
[_SrcBlend] [_DstBlend]

            ZWrite
[_ZWrite]

 

            CGPROGRAM

            #pragma
target 3.0

 

            //
-------------------------------------

 

            #pragma
shader_feature _NORMALMAP

            #pragma
shader_feature _ _ALPHATEST_ON _ALPHABLEND_ON _ALPHAPREMULTIPLY_ON

            #pragma
shader_feature _EMISSION

            #pragma
shader_feature _METALLICGLOSSMAP

            #pragma
shader_feature ___ _DETAIL_MULX2

            #pragma
shader_feature _ _SMOOTHNESS_TEXTURE_ALBEDO_CHANNEL_A

            #pragma
shader_feature _ _SPECULARHIGHLIGHTS_OFF

            #pragma
shader_feature _ _GLOSSYREFLECTIONS_OFF

            #pragma
shader_feature _PARALLAXMAP

 

            #pragma
multi_compile_fwdbase

            #pragma
multi_compile_fog

 

            #pragma
vertex vertBase

            #pragma
fragment fragBase

            #include
"UnityStandardCoreForward.cginc"

 

            ENDCG

        }

如你所见，它基本上由一堆pragma和定义组成。在ubershader样式中，那些pragma激活了在不同包含文件中的代码段。因此要了解这个pass中实际发生的事情，必须打开CGIncludes\UnityStandardCoreForward.cginc，并逐一查看每个代码段中的每个pragma。这个过程太长，需要太多笔墨，所以现在还是让我们专注于寻找基本函数，即主要的光照计算过程发生的地方。



CGIncludes\UnityStandardCoreForward.cginc的作用仅仅是将在其他cginclude中包含的东西连在一起。在这里，它负责根据定义UNITY_STANDARD_SIMPLE，设置好要使用的顶点与片段函数。



下面看看更简单的那个CGIncludes\UnityStandardCoreForwardSimple.cginc。它很“简单”，因为它不支持PARALLAXMAP、DIRLIGHTMAPCOMBINED、DIRLIGHTMAP_SEPARATE，因此解读起来也相对简单。



基础函数与结构体



最后，这个文件里还有一些函数与结构体，基础的有以下这些：

• struct VertexOutputBaseSimple，这个数据结构用于保存从顶点着色器向片段着色器传送的数据。
• vertForwardBaseSimple 是在每个顶点上都会执行的函数，填充 VertexOutputBaseSimple结构体。
• fragForwardBaseSimpleInternal，正向渲染器中，接受顶点输出结构体，并计算第一个光源的函数。

片段函数



它返回一个向量，其中包含四个half精度浮点数（一个颜色和透明度），它接受一个VertexOutputBaseSimple结构体：

[C#] 纯文本查看 复制代码

?

half4
fragForwardBaseSimpleInternal (VertexOutputBaseSimple i) 

{

    FragmentCommonData
s = FragmentSetupSimple(i);

    UnityLight
mainLight = MainLightSimple(i, s);  

    half
atten = SHADOW_ATTENUATION(i);

    half
occlusion = Occlusion(i.tex.xy);

    half
rl = dot(REFLECTVEC_FOR_SPECULAR(i, s), LightDirForSpecular(i, mainLight));

    UnityGI
gi = FragmentGI (s, occlusion, i.ambientOrLightmapUV, atten, mainLight);

    half3
attenuatedLightColor = gi.light.color * mainLight.ndotl;

    half3
c = BRDF3_Indirect(s.diffColor, s.specColor, gi.indirect, PerVertexGrazingTerm(i, s), PerVertexFresnelTerm(i));

    c
+= BRDF3DirectSimple(s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusRoughness, rl) * attenuatedLightColor;

    c
+= UNITY_BRDF_GI (s.diffColor, s.specColor, s.oneMinusReflectivity, s.oneMinusRoughness, s.normalWorld, -s.eyeVec, occlusion, gi);

    c
+= Emission(i.tex.xy);

 

    UNITY_APPLY_FOG(i.fogCoord,
c);

 

    return

OutputForward (half4(c, 1), s.alpha);

}

从代码中可以看到，它收集了所需的信息，并对直接与间接光的贡献、雾、衰减、自发光和遮蔽进行了计算。



这些过程已被高度封装，因此我们需要依次查看这些函数，才能了解它们的实际用途，以及代码的具体作用。



追踪更多的函数



对光源进行实际计算的函数并不在此文件中，部分在CGIncludes/UnityStandardCore.cginc中：

• MainLight (实际上用于 UnityStandardCoreForward.cginc中的MainLightSimple)

[C#] 纯文本查看 复制代码

?

UnityLight
MainLightSimple(VertexOutputBaseSimple i, FragmentCommonData s) 

{

    UnityLight
mainLight = MainLight(s.normalWorld);

    #if
defined(LIGHTMAP_OFF) && defined(_NORMALMAP)

        mainLight.ndotl
= LambertTerm(s.tangentSpaceNormal, i.tangentSpaceLightDir);

    #endif

    return

mainLight;

}

我们能看到那里对LambertTerm进行了计算，但仅在光照贴图关闭且法线贴图打开时会这样。



CGIncludes/UnityStandardBRDF.cginc:

• BRDF3DirectSimple (使用BRDF3Direct)

[C#] 纯文本查看 复制代码

?

half3
BRDF3_Direct(half3 diffColor, half3 specColor, half rlPow4, half oneMinusRoughness) 


{

    half
LUT_RANGE = 16.0; //
must match range in NHxRoughness() function in GeneratedTextures.cpp

    //
Lookup texture to save instructions

    half
specular = tex2D(unity_NHxRoughness, half2(rlPow4, 1-oneMinusRoughness)).UNITY_ATTEN_CHANNEL * LUT_RANGE;

#if
defined(_SPECULARHIGHLIGHTS_OFF)

    specular
= 0.0;

#endif

它看起来在使用查表法计算镜面反射的贡献。

• LambertTerm, 导向到DotClamped

[C#] 纯文本查看 复制代码

?

inline
half DotClamped (half3 a, half3 b) 

{

    #if
(SHADER_TARGET < 30 || defined(SHADER_API_PS3))

        return

saturate(dot(a, b));

    #else

        return

max(0.0h, dot(a, b));

    #endif

}

从MainLightSimple我们得知，传入的参数是N和L。所以片段函数首先设置好片段，计算主光源ndotl、衰减、遮蔽、全局光照以及灯光颜色。然后计算最终光线的所有贡献，并将直接、间接、全局光照加总后再应用雾。



正如你所见，着色器在光照计算方面相当轻量，仅使用了一个Lambert算法，并查了一下表。它不像基于物理的着色器使用的那么多，这很可能是最廉价的标准着色器版本了。



在下一篇中，我们会以同样的方式审视标准版本的着色器，很可能会看到一些更加高级的BRDF。