《Unity Shader 入门摘要》阅读笔记

最近想要系统的学习一下unity shader相关的东西，根据别人的推荐看到了这本书。于是决定边看边把一些比较重要或者原本不知道的知识点记录一下。

原书讲解十分详细，这里只记录本人相关，欲知详情，请移步至作者github

第3章 Unity Shader基础

ShaderLab：Unity为shader开发者专门设计的语言，详情见官网

我们手动开发的Shader都是用ShaderLab实现的，当然中间需要内置CG/HLSL代码，完成实际的过程，ShaderLab的作用更像是一个框架。

shader的完整结构如下：

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Shader "ShaderName" {
    Properties {
        // 属性
    }
    SubShader {
        // 显卡A使用的着色器

        [Tags] // 标签：可选的

        [RenderSetup] // 状态：可选的

        Pass {
            [Name]
            [Tags]
            [RenderSetup]
            // other code
        }
        // other Passes
    }
    SubShader {
        // 显卡B使用的着色器
    }
    Fallback "default shader name" // Fall Off
}

  • Properties支持如下类型：

    Unity支持的Propertiies类型
  • Subshader的RenderSetup支持如下类型，其对内部Pass来说是全局存在的

    常见的渲染状态设置选项
  • Subshader的Tags支持如下类型：

    SubShader的标签类型
  • Pass的Tags支持如下类型：

    Pass的标签类型
  • UsePass复用其他shader里的代码，GrabPass抓取屏幕存储在一张纹理中供后续Pass使用

第4章

坐标空间与变换

  • 坐标空间
    • 模型空间：又称“对象空间”，顾名思义是与模型本身有关的空间
    • 世界空间：广义上“最大的空间”
    • 观察空间：摄像机所在的空间，并且摄像机的位置是原点
    • 裁剪空间：摄像机实际上真正能看到的空间，由视锥体决定
    • 屏幕空间：最终显现的二维屏幕（空间）
  • 坐标空间变换
    • 模型变换：模型空间 -> 世界空间
    • 观察变换：世界空间 -> 观察空间
    • 投影变换：观察空间 -> 裁剪空间
    • 屏幕映射：裁剪空间 -> 屏幕空间

转换关系图如下：


坐标空间及对应变换关系

Unity内置的变换矩阵

Unity内置的变换矩阵见下图：（对应上述的空间变换好好研究下）


Unity内置的变换矩阵

Unity内置的摄像机和屏幕参数


Unity内置的摄像机和屏幕参数

第5章

  • ShaderLab属性类型与CG变量类型的匹配关系
    | ShaderLab属性类型 | CG变量类型 |
    |—-|—-|
    | Color, Vector | float4, half4, fixed4 |
    | Range, Float | float, half, fixed |
    | 2D | sampler2D |
    | Cube | SamplerCube |
    | 3D | sampler3D |
  • UnityCG.cginc中一些常用的结构体
    | 名称 | 描述 | 包含的变量 |
    | —- | —- | —- |
    | appdata_base | 可用于顶点着色器的输入 | 顶点位置、顶点法线、第一组纹理坐标 |
    | appdata_tan | 可用于顶点着色器的输入 | 顶点位置、顶点切线、顶点法线、第一组纹理坐标 |
    | appdata_full | 可用于顶点着色器的输入 | 顶点位置、顶点切线、顶点法线、四组(或更多)纹理坐标 |
    | appdata_img | 可用于顶点着色器的输入 | 顶点位置、第一组纹理坐标 |
    | v2f_img | 可用于顶点着色器的输出 | 裁剪空间中的位置、纹理坐标 |

  • UnityCG.cginc中一些常用的帮助函数


    UnityCG.cginc中一些常用的帮助函数

  • 可用于顶点着色器的输入的语义
    | 语义 | 描述 |
    | —- | —- |
    | POSITION | 模型空间中的顶点位置，通常是float4类型 |
    | NORMAL | 顶点法线，通常是float3类型 |
    | TANGENT | 顶点切线，通常是float4类型 |
    | TEXCOORDn | 该顶点的第n组纹理坐标，通常是float2或float4类型 |
    | COLOR | 顶点颜色，通常是float4或fixed4类型 |

    • 系统数值语义：System-Value sematics，以SV开头
      • SV_POSITION: 顶点着色器的输出pos
      • SV_TARGET: 片元着色器的输出（输出到颜色缓冲）

第6章

光照模型的计算

  • 逐像素光照
    • 主要计算过程在片元着色器中；
    • 以每个像素为基础，得到其法线（顶点发现插值或法线纹理采样），再进行光照模型的计算。这种在面片之间对顶点法线进行插值的技术被称为Phong着色(Phong Shading)
  • 逐顶点光照
    • 主要计算过程在顶点着色器中；
    • Gouraud shading（高洛德着色），在每个顶点上计算光照，然后在渲染图元内部进行线性插值，最后输出像素颜色。

由于顶点数往往小于像素数量，因此逐顶点光照的计算量更小；但是如果模型中有非线性插值的计算，逐顶点光照的结果会有问题（棱角现象）。

第7章

纹理映射：将纹理图附在模型表面，逐纹素的控制模型的颜色
凹凸映射：使用一张纹理图（法线纹理/高度纹理）来改变模型表面的法线，为模型提供更多细节

凹凸映射

  • 两种实现方式：
    • 高度映射：使用一张高度纹理模拟表面位移，以得到一个修改后的法线值
    • 法线映射：使用一张法线纹理直接存储表面法线
      • 模型空间的法线纹理：修改后的模型空间的表面法线存储在一张纹理中
      • 切线空间的法线纹理：对每个顶点，求出顶点在其切线空间内的法线，将其存储到法线纹理中。这种方式由于存储的是相对法线，效果更好，更受欢迎。

第8章

透明度测试

设置一个阈值，当片元的透明度不满足条件时，该片元会被舍弃（不再做任何处理），否则就视为不透明物体处理。因此它并不能实现真正的半透明效果。

在片元着色器中调用clip(float/float2/float3/float4 x)函数进行透明度测试，当传入的参数有任何一个分量是负数，就会舍弃当前像素的输出颜色

透明度混合

可以实现真正的半透明效果。他会使用当前片元的透明度作为混合因子，与已经存储在颜色缓冲中的颜色值进行混合，得到新的颜色。

需要关闭深度写入，但不关闭深度检测，即计算半透明物体时，深度缓冲是只读的。这会导致渲染的顺序十分重要，因为这时深度缓冲无法完全正常工作。

解决思路：先渲染所有的不透明物体，这里深度关系会一切正常；再将半透明物体加入渲染（半透明物体之间的遮挡关系仍有问题，先不考虑）。

混合命令：Blend，开启混合后，对alpha的修改才有意义。


ShaderLab的Blend命令

ShaderLab的混合因子

ShaderLab的混合操作

渲染队列

Unity提供了渲染队列以解决渲染顺序的问题。使用Subshader里的Queue标签决定模型归于哪个队列。

Unity内部使用整数索引来表示每个渲染队列，索引号越小表示越早渲染。


Unity提前定义的5个渲染队列

Cull命令

命令 含义
Cull Off 关闭剔除
Cull Back 剔除背面，只渲染正面，default
Cull Front 提出正面，只渲染背面

第12章 屏幕后处理效果

屏幕后处理：通常指的是在渲染完整个场景得到屏幕图像之后，再对这个图像进行一系列操作，实现各种屏幕特效（景深、运动模糊等）。

函数接口：

  • OnRenderImage函数： 
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    MonoBehaviour.OnRenderImage(RenderTexture src, RenderTexture dest)
    src是Unity当前渲染得到的源渲染纹理；dest是经过OnRenderImage函数处理之后的目标渲染纹理，之后会被渲染到屏幕上
  • Graphics.Blit函数 
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    public static void Blit(Texture src, RenderTexture dest);
    public static void Blit(Texture src, RenderTexture dest, Material mat, int pass=-1);
    public static void Blit(Texture src, Material mat, int pass=-1);
    src对应了源纹理，通常就是当前屏幕的渲染纹理或是上一步处理后得到的渲染纹理；
    dest对应了目标渲染纹理，若为null则直接渲染到屏幕上；
    mat是我们使用的材质，它使用的shader会进行一系列屏幕后处理操作，而src纹理将会被传递给shader中_MainTex的纹理属性；
    pass的默认值为-1，表示会一次调用shader内的所有Pass；否则只调用给定索引的Pass；