Unity——基于ShaderLab实现光照系统

这篇主要总结Unity中ShaderLab的着色器代码实现总结，需要有一定图形学基础和ShaderLab基础；

一、着色器

1.顶点片元着色器

分顶点着色器和片元着色器，对应渲染管线的顶点变换和片元着色阶段；

最简单的顶点片元着色器：

Shader "MyShader/VertexFragmentShader"
{
    Properties{
        _MainColor("MainColor",Color) = (1,1,1,1)
    }

        SubShader
    {
        Tags { "RenderType" = "Opaque" }

        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            float4 _MainColor;

            float4 vert(float4 v:POSITION) :SV_POSITION
            {
                return UnityObjectToClipPos(v);
            }

            fixed4 frag () : SV_Target
            {
                return _MainColor;
            }
            ENDCG
        }
    }
}

2.表面着色器

将顶点和片元着色器再进行一层封装；

通过表面函数控制反射率，光滑度，透明度等；

通过光照函数选择要使用的光照模型；

表面着色器提供了便利，但是也降低了自由度；

表面着色器能实现的，顶点片元着色器都可以实现，但顶点片元着色器的可操作性更高，性能也更好；

简单的表面着色器：

Shader "MyShader/SurfaceShader"
{
    SubShader
    {
        Tags { "RenderType"="Opaque" }
        CGPROGRAM
        //表面着色器,使用Lambert光照
        #pragma surface surf Lambert 

        struct Input {
        float4 color :COLOR;
        };

        void surf(Input IN,inout SurfaceOutput o) {
            o.Albedo = 1;
        }

        ENDCG
    }
    Fallback "Diffuse"
}

3.固定函数着色器

已基本弃用不分析了；

---

二、光照模型

1.逐顶点光照(Gourand Shading)

在顶点着色器计算光照；顶点数目比片元少，计算量也少，通过线性插值得到每个像素的光照；

所以非线性光照计算时会出错——高光（后面会写）；

v2f vert(a2v v) {
	v2f o;
	//顶点变换到裁剪空间
	o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex); 

	//环境光
	fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

	//世界空间下法线
	fixed3 worldNormal = normalize(mul(v.normal,unity_WorldToObject));

	//世界空间下光照方向
	fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

	//点成光照和法线得出漫反射方向，satruate取区间0-1;
	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));

	//环境光+漫反射
	o.color = ambient + diffuse;
	return o;
}

2.逐片元光照(Phong Shading)

在片元着色器计算光照；根据每个片元的法线计算光照；效果好计算量大，也叫phong插值；

v2f vert(a2v v) {
	v2f o;
	//顶点变换到裁剪空间
	o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

	//传递世界坐标法线到片元着色器
	o.worldNormal = mul(v.normal,unity_WorldToObject);

	return o;
}

fixed4 frag(v2f v) :SV_Target{
	//环境光
	fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz;

	//归一化世界法线
	fixed3 worldNormal = normalize(v.worldNormal);

	//归一化世界空间下光照方向
	fixed3 worldLight = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);

	//求漫反射
	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * saturate(dot(worldNormal, worldLight));

	//相加环境光和漫反射
	fixed3 color = ambient + diffuse;
	return fixed4(color,1.0);
}

这也是Lambert光照模型的算法；

3.HalfLambert 光照

v社做半条命使用一个标准，计算漫反射时候结果+0,5；这样对暗部有很大的优化；

//HalfLambertParma
fixed halfLambert = dot(worldNormal, worldLight) * 0.5 + 0.5;

//使用halfLambert计算漫反射
fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * _Diffuse.rgb * halfLambert;

4.逐顶点高光

上面说的逐顶点计算光照对非线性光照会有错误；

高光由反射导致，和观察方向、光线方向有关；具体关系参考图形学基础；

在顶点着色器函数中添加：

//根据法线和光线方向用reflect方法计算反射方向
fixed3 reflectDir = normalize(reflect(-worldLight, worldNormal));

//计算观察方向，摄像机位置-顶点位置（要求同在世界坐标系下）
fixed3 viewDir = normalize(_WorldSpaceCameraPos.xyz - mul(unity_ObjectToWorld, v.vertex).xyz);

//Phong光照模型中高光计算公式，_Specular颜色，_Gloss粗糙度，_LightColor0系统参数光照颜色
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(saturate(dot(reflectDir, viewDir)), _Gloss);

o.color = ambient + diffuse + specular;

5.逐像素高光

将逐顶点高光代码发放在片元着色器中执行；

6.Bline-Phong光照模型

上面逐顶点和逐像素高光都是使用Phong光照模型；

求高光的时候使用reflect函数计算反射向量，计算比较大；

Bline-Phong使用（光线方向+观察方向）来替代反射向量；

//世界光线方向和观察方向中间方向;
fixed3 halfDir = normalize(worldLight + viewDir);

//使用halfDir来计算高光
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0, dot(worldNormal, halfDir)), _Gloss);

fixed3 color = ambient + diffuse + specular;

---

三、纹理贴图

1.单张纹理

使用纹理取样替代纯色，在片元着色器中对纹理贴图取样，修改像素颜色；

_MainTexture_ST 控制贴图的缩放和偏移（Scale,Translate）;

v2f vert(a2v v){
	//uv传递给片元着色器,可以使用宏命令TRANSFORM_TEX
	o.uv = v.texcoord.xy * _MainTexture_ST.xy + _MainTexture_ST.zw;
	//o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_Maintexture);
}

fixed4 farg(v2f v) :SV_Target{
    //纹理取样,表面颜色-纹素
	fixed3 albedo = tex2D(_MainTexture, v.uv).rgb * _Color.rgb;

	//环境光*表面颜色
	fixed3 ambient = UNITY_LIGHTMODEL_AMBIENT.xyz *albedo;

	fixed halfLambert = dot(worldNormal, worldLight) * 0.5 + 0.5;
	//漫反射*表面颜色
	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * albedo.rgb * halfLambert;
}

2.法线纹理

法线计算两种方式：

将光线和观察向量变换到切线空间计算；

将切线空间下法线变换到世界空间计算；

切线空间计算由于矩阵变换在顶点着色器，计算少效率高；

由于认知，或者有其他需求我们也会在世界空间计算法线；

- 法线纹理切线空间计算

v2f vert(a2v v) {
	v2f o;
	o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

	o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTexture_ST.xy + _MainTexture_ST.zw;
	//o.uv = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_Maintexture);
	o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_BumpMap);

	//宏定义,求世界空间——切线空间变换矩阵rotation
	TANGENT_SPACE_ROTATION;

	o.lightDir = mul(rotation,ObjSpaceLightDir(v.vertex)).xyz;
	o.viewDir = mul(rotation,ObjSpaceViewDir(v.vertex)).xyz;

	return o;
}

fixed4 frag(v2f v) :SV_Target{
	//切线空间-光线方向
	fixed3 tangentLightDir = normalize(v.lightDir);

	//切线空间-观察方向
    fixed3 tangentViewDir = normalize(v.viewDir);

	//法线贴图格式为NormalMap,使用UnpackNormal解压,取样得到切线空间下法线
	fixed3 tangentNormal = UnpackNormal(tex2D(_BumpMap,v.uv.zw));
	//法线缩放
	tangentNormal.xy *= _BumpScale;
	//法线贴图压缩方法,z值可以计算得出,勾股定理,以下是简化后公式
	tangentNormal.z = sqrt(1.0-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));

    ...//漫反射高光计算都使用tangentNormal
}

- 法线纹理世界空间计算

v2f vert(a2v v) {
	v2f o;
	o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

	//减少寄存器使用,xy记录主纹理uv,zw记录法线uv
	o.uv.xy = v.texcoord.xy * _MainTexture_ST.xy + _MainTexture_ST.zw;
	o.uv.zw = TRANSFORM_TEX(v.texcoord,_BumpMap);

	//求世界空间下法线、切线、副切线
	float3 worldPos = mul(unity_ObjectToWorld,v.vertex).xyz;
	fixed3 worldNormal = UnityObjectToWorldNormal(v.normal);
	fixed3 worldTangent = UnityObjectToWorldDir(v.tangent.xyz);
	fixed3 worldBinnormal = cross(worldNormal,worldTangent)*v.tangent.w;

	//法线、切线、副切线构成切线空间变换矩阵,w值trick利用存储世界坐标系顶点坐标
	o.Ttow0 = float4(worldTangent.x,worldBinnormal.x,worldNormal.x,worldPos.x);
	o.Ttow1 = float4(worldTangent.y,worldBinnormal.y,worldNormal.y,worldPos.y);
	o.Ttow2 = float4(worldTangent.z,worldBinnormal.z,worldNormal.z,worldPos.z);	

	return o;
}

fixed4 frag(v2f v) :SV_Target{
    ...

    //法线贴图格式为NormalMap,使用UnpackNormal解压,取样得到切线空间法线
	fixed3 tangentNormal = UnpackNormal( tex2D(_BumpMap,v.uv.zw));

    //法线缩放
	tangentNormal.xy *= _BumpScale;

    //法线贴图压缩方法,z值可以计算得出,勾股定理,以下是简化后公式
	tangentNormal.z = sqrt(1.0-saturate(dot(tangentNormal.xy,tangentNormal.xy)));

    //矩阵变换求出世界空间法线
	tangentNormal = normalize(half3(dot(v.Ttow0.xyz,tangentNormal),dot(v.Ttow1.xyz,tangentNormal),dot(v.Ttow2.xyz,tangentNormal)));

    ...//漫反射高光计算都使用tangentNormal
}

3.渐变纹理

以上漫反射颜色都是光线颜色，或者光线颜色混合表面纹素颜色；

有时候漫反射的颜色要根据反射角大小有不同的变化，比如卡通渲染；

这就需要使用渐变纹理RampTexture；

//顶点着色器转化RampTex的uv
 fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{
    fixed halfLambert = 0.5 * dot(worldNormal,worldLightDir)+0.5;

     //根据halfLambert反射方向取样RampTex纹素
	fixed3 diffuseColor = tex2D(_RampTex, fixed2(halfLambert, 			halfLambert)).rgb*_Color.rgb;

	fixed3 diffuse = _LightColor0.rgb * diffuseColor;
 }

三种不同的Ramp纹理：

4.遮罩纹理

有些部位高光效果太强，人为的希望有些部位暗一些等，可以用到遮罩纹理Mask；

片元着色器中添加：

//反射方向
fixed3 halfDir = normalize(tangentLightDir + tangentViewDir);

//uv取样高光遮罩纹理*高光范围
fixed3 specularMask = tex2D(_SpecularMask,i.uv).r *_SpecularScale;

//高光结果混合遮罩纹理
fixed3 specular = _LightColor0.rgb * _Specular.rgb * pow(max(0,dot(tangentNormal,halfDir)),_Gloss) * specularMask;

效果对比：

---

四、透明物体

1.透明测试

AlphaTest只决定画不画，不做颜色混合，给定一个阈值_Cutoff，透明度小于这个值都不画；

透明测试需要关闭背面裁剪，以及加上透明测试三套件；

Tags { "Queue"="AlphaTest" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}

//渲染队列,忽略投影器,渲染类型
Tags { "Queue"="AlphaTest" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}

//关闭裁剪
Cull Off

Pass{
	...
	  fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{
	  		...
	  		//alpha值小于_Cutoff的都不画
            clip(texColor.a - _Cutoff);
	  		...
	  }
	...
}

修改Culloff值大小的效果：

2.透明颜色混合

AlphaBlend透明混合要关闭深度写入，否则会被剔除；

同时要选择混合模式，多种混合模式有点像ps里的透明图层叠加；

//三套件
Tags { "Queue"="Transparent" "IgnoreProjector"="True" "RenderType"="Transparent"}

Pass{
	//关闭深度吸入,打开深度测试,选择颜色混合模式
	Tags{"LightMode"="ForwardBase"}
    ZWrite Off
    Blend SrcAlpha OneMinusSrcAlpha 

    ...

    fixed4 frag (v2f i) : SV_Target{
    	...
     	//返回着色是,加上透明度
        return fixed4(ambient +diffuse,texColor.a*_AlphaScale);
    }
}

3.复杂模型双Pass颜色混合

模型复杂的时候会有自己遮挡自己的问题；用双Pass解决，第一个pass提前做好深度写入且只做深度入；

Pass{
    ZWrite On
    ColorMask 0     //RGBA任意|,选择需要写入的通道,只做深度缓冲,0不输出颜色
}

4.透明混合渲染双面

同一个透明物体，我需要需要从正面看到透明物体的背面；

使用两个Pass；一个Cull Front，一个Cull Back；

背面和正面分开画，先画背面，用正面和背面混合；

---

五、复杂光照处理

1.复杂光照

Unity光源分为垂直光，点光源，锥形射光灯，面光源和探照灯都是烘焙后生效的不讨论；

Unity中普通Forwad前向渲染，没多一个灯光要加一个Pass单独处理；

Deffer延迟渲染，多个灯光也指渲染一次，有个G-Buffer存储了图像，在G-Buffer上处理光照；

点光源，锥形射光灯——光线方向由光源到顶点的方向；光线的衰减值也不同；

Unity系统提供的点光源和锥形射光灯的光线衰减纹理图，减少了计算；

Tags{"LightMode" = "ForwardAdd"}
#pragma multi_compile_fwdadd

#include "Lighting.cginc"
#include "AutoLight.cginc"

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

    //deal with different light,get worldLightDir;
    #ifdef USING_DIRECTIONAL_LIGHT
        fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz);
        fixed atten = 1.0;
    #else
        fixed3 worldLightDir = normalize(_WorldSpaceLightPos0.xyz - i.worldPos.xyz);  

    	//Get light attenuation
        #if defined (POINT)
	        float3 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1)).xyz;
	        fixed atten = tex2D(_LightTexture0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
	    #elif defined (SPOT)
	        float4 lightCoord = mul(unity_WorldToLight, float4(i.worldPos, 1));
	        fixed atten = (lightCoord.z > 0) * tex2D(_LightTexture0, lightCoord.xy / lightCoord.w + 0.5).w * tex2D(_LightTextureB0, dot(lightCoord, lightCoord).rr).UNITY_ATTEN_CHANNEL;
	    #else
	        fixed atten = 1.0;
	    #endif
    #endif

    ...

    return fixed4((diffuse+specular)*atten,1.0);
}

2.阴影处理

Untiy中MeshRender组件上有两个选项：

CastShadows——是否投射阴影，以及双面投射；

Receive Shadows——接受其他物体投射的阴影；

要求v2f中顶点坐标变量名必须是pos；

Tags { "LightMode"="ForwardBase" }

CGPROGRAM
#pragma multi_compile_fwdbase

#include "Lighting.cginc"
#include "AutoLight.cginc"

struct v2f
{
    float4 pos : SV_POSITION;
    SHADOW_COORDS(2)
};

v2f vert (appdata v)
{
    v2f o;
    o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);

    TRANSFER_SHADOW(o);
    return o;
}

fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
{
	fixed atten = 1.0;
	fixed shadow = SHADOW_ATTENUATION(i);
	return fixed4((ambient+ diffuse + specular)*atten*shadow,1.0);
}

3.透明物体阴影处理

CastShadows——改成Two Sides即可；